Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác đào tạo kỹ thuật tại các trường đại học, việc thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn sản xuất đòi hỏi phải trang bị các phương tiện dạy học trực quan và mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển công nghiệp. Đối với ngành kỹ thuật điện và điện tử, điều khiển điện áp một chiều (DC) là một yêu cầu kỹ thuật nền tảng, ứng dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ DC trong các dây chuyền cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải và điều chỉnh công suất nhiệt, độ sáng đèn điện. Tuy nhiên, việc thực hành trên các thiết bị bán dẫn công suất lớn thường gặp trở ngại về chi phí thiết bị và an toàn điện. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm Điện tử công suất" do sinh viên Trần Dũng Huỳnh Đăng Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Đỗ Cường tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 03/2000) được triển khai nhằm giải quyết trực tiếp nhu cầu này.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là xây dựng một mô hình bàn thí nghiệm hoàn chỉnh cùng hệ thống bài tập thực hành trực quan, giúp sinh viên ngành Điện - Điện tử nắm vững nguyên lý hoạt động, phương pháp đóng ngắt các linh kiện bán dẫn công suất và ứng dụng điều khiển điện áp một chiều cấp cho nhiều dạng tải khác nhau.

Văn bản xác định 3 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Khảo sát lý thuyết về các linh kiện bán dẫn công suất, nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều và các cấu trúc mạch điều khiển điện áp một chiều bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (băm xung DC).
  2. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng bao gồm: mạch động lực băm xung một chiều sử dụng thyristor (SCR) theo phương pháp tắt cưỡng bức bằng điện áp và bằng dòng điện; mạch phát xung điều khiển biến đổi độ rộng xung kết hợp chùm xung cao tần cách ly quang.
  3. Thiết kế, gia công bàn thực tập kích thước chuẩn kỹ thuật sư phạm và biên soạn 2 bài thực tập thí nghiệm chi tiết phục vụ giảng dạy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC/DC chopper) kiểu nối tiếp sử dụng thyristor; mạch điều khiển xung kích tương tự kết hợp vi mạch định thời; các loại tải tiêu thụ gồm tải điện trở thuần, tải điện cảm và tải động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào phương pháp điều khiển điện áp phần ứng bằng cách biến đổi tỷ số chu kỳ (độ rộng xung) ở tần số cố định trong hệ thống hở; không đi sâu vào các phương pháp điều khiển thay đổi tần số hoặc hệ thống điều khiển vòng kín; toàn bộ quy trình nghiên cứu, tính toán, chế tạo và thử nghiệm được thực hiện trong thời gian 6 tuần tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành về điện tử công suất, máy điện và kỹ thuật vi mạch tương tự - số:

  • Khung lý thuyết linh kiện và mạch lực: Lý thuyết chuyển mạch và tổn hao của các linh kiện bán dẫn công suất (Diode, Transistor lưỡng cực BJT, Thyristor/SCR); nguyên lý dập tắt thyristor trong mạch điện một chiều thông qua mạch dao động LC chuyển mạch cưỡng bức (bằng điện áp ngược hoặc bằng xung dòng điện ngược); phương trình vi phân và phương trình tích phân mô tả quá trình nạp - xả năng lượng trong mạch băm xung một chiều nối tiếp ở hai chế độ dòng điện tải liên tục và gián đoạn.
  • Khung lý thuyết máy điện: Phương trình cân bằng điện áp, phương trình đặc tính cơ $n = f(M)$ và phương trình đặc tính tốc độ $n = f(I)$ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập; nguyên lý điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng với dải điều chỉnh đạt $D = 10:1$.
  • Khung lý thuyết mạch điều khiển: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua so sánh điện áp tựa sóng tam giác với điện áp chuẩn một chiều; kỹ thuật định thời tạo độ rộng xung chuẩn bằng vi mạch định thời đa năng 555; kỹ thuật ghép chùm xung tần số cao nhằm tăng độ tin cậy kích mở cực cổng (gate) của thyristor; kỹ thuật cách ly quang giữa mạch lực công suất cao và mạch điều khiển điện áp thấp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Thu thập, sàng lọc và kế thừa các công trình lý thuyết điện tử công suất chuẩn (giáo trình của Nguyễn Bính, Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi, Joseph Vithayathil, bài giảng kỹ thuật xung số của Nguyễn Việt Hùng) để xây dựng mô hình toán học giải tích.
  • Phương pháp tính toán thiết kế giải tích: Thiết lập hệ phương trình xác định thông số linh kiện $R, L, C$ cho mạch dao động dập tắt thyristor dựa trên thời gian khóa phục hồi $t_{off}$, dòng điện cực đại và điện áp định mức.
  • Phương pháp thực nghiệm - thi công: Lắp ráp các khối mạch trên mạch in; gia công panel bàn thí nghiệm; đo kiểm các điểm sóng bằng dao động ký và đồng hồ đo vạn năng (VOM) trên 3 dạng tải thực tế nhằm hiệu chỉnh và thẩm định mô hình.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là các thông số linh kiện thực tế tra cứu từ sổ tay linh kiện điện tử, kết hợp với các dữ liệu đo đạc thực nghiệm về điện áp, dòng điện và giản đồ xung ghi nhận trực tiếp trên mô hình bàn thí nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bộ thí nghiệm được tính toán thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh từ mạch động lực, mạch điều khiển đến kết cấu cơ khí bàn thực tập.

Thông số thiết kế Giá trị quy định trong văn bản
Nguồn điện áp một chiều cấp cho mạch lực ($E$) $300\text{ V}$
Dòng điện định mức của tải ($I_{tải}$) $6\text{ A}$
Thời gian dẫn nhỏ nhất của SCR chính ($t_{on}$) $500,\mu\text{s}$
Thời gian khóa của SCR được chọn ($t_{off}$) $50,\mu\text{s}$
Dải điện áp điều chỉnh ra tải $30\text{ V} \div 300\text{ V}$
Tỷ số chu kỳ nhỏ nhất ($D_{min}$) $30 / 300 = 0{,}1$
Chu kỳ băm xung tổng quát ($T$) $T = t_{on} / D_{min} = 500,\mu\text{s} / 0{,}1 = 5000,\mu\text{s} = 5\text{ ms}$
Tần số băm cơ bản của bộ băm ($f$) $f = 1 / T = 200\text{ Hz}$
Nguồn nuôi mạch điều khiển tạo xung $\pm 12\text{ V}$ một chiều
Tần số chùm xung kích cao tần $10\text{ kHz}$
Kích thước phân bổ linh kiện mặt bàn thí nghiệm $40 \times 60\text{ cm}$ (thiết kế cho 1 nhóm thực tập)

Thiết kế mạch động lực băm xung một chiều:

  • Mạch băm tắt cưỡng bức bằng điện áp: Sử dụng thyristor chính $S_1$ và thyristor phụ $S_2$. Tụ điện chuyển mạch được tính toán từ phương trình quá độ nạp xả $u_{c1} = E - 2E \cdot e^{-t/\tau}$, với thời gian khóa $t_{off} = 50,\mu\text{s}$ (tính toán ở mốc $60,\mu\text{s}$), xác định thời hằng $\tau = 87,\mu\text{s}$, với tải $R = 50,\Omega$ suy ra tụ điện $C_1 = 1{,}74,\mu\text{F}$ (thực tế chọn $2,\mu\text{F}$). Cuộn cảm dao động tính theo một phần tư chu kỳ dao động $t_{off} = (\pi/2)\sqrt{LC}$, cho ra $L_1 = 60{,}66,\mu\text{H}$. Dòng dao động cực đại qua tụ $I_{c,max} = 17{,}3\text{A}$, dẫn đến dòng đỉnh qua $S_1$ là $I_{S1,max} = I_{tải} + I_{c,max} = 6 + 17{,}3 = 23{,}3\text{A}$. Do đó $S_1$ được chọn chịu dòng danh định từ $25\text{A}$ trở lên.
  • Mạch băm tắt cưỡng bức bằng dòng điện: Điện trở nạp ban đầu cho tụ chọn $R = 100\text{ k}\Omega$. Khoảng thời gian trễ thực tế của SCR là $\Delta t = 10,\mu\text{s}$, thời gian tắt thực tế yêu cầu là $t_{off} + \Delta t = 60,\mu\text{s}$. Hệ số an toàn chọn $K = 2$ ($I_{c,max} = 2 I_{tải}$). Giải hệ phương trình xác định thông số mạch dao động thu được cuộn cảm $L_2 = 0{,}72\text{ mH}$ và tụ điện $C_2 = 3{,}72,\mu\text{F}$. Thyristor phụ $S_2$ được chọn với mức chịu dòng lớn hơn hai lần dòng tải.

Thiết kế mạch phát xung kích điều khiển:

  • Khâu tạo tần số cơ bản và điều chế độ rộng xung: Sử dụng 3 bộ khuếch đại thuật toán IC $\mu\text{A}741$. Bộ dao động sóng vuông tần số $200\text{ Hz}$ sử dụng 741a kết hợp mạch tích phân 741b tạo sóng tam giác biên độ đỉnh - đỉnh $24\text{ V}$, xác lập qua các linh kiện $R_1 = 3\text{ k}\Omega$, $R_2 = 10\text{ k}\Omega$, $R_3 = 2{,}2\text{ k}\Omega$, $C_1 = 1,\mu\text{F}$, $R_4 = 4{,}7\text{ k}\Omega$, $C_2 = 0{,}47,\mu\text{F}$. Bộ so sánh 741c so sánh sóng tam giác với mức điện áp một chiều lấy từ biến trở $VR = 5\text{ k}\Omega$ để điều biến độ rộng xung vuông ngõ ra.
  • Khâu định thời xung đơn ổn: Tín hiệu xung sau khi qua các cổng logic đảo để sửa dạng được đưa đến 2 vi mạch AN555 (a và b) mắc ở chế độ đơn ổn, tạo ra hai xung kích có độ rộng cố định chuẩn $0{,}5\text{ ms}$ cho hai kênh $S_1$ và $S_2$, với các giá trị định thời $R_{11} = R_{12} = 470,\Omega$ và $C_5 = C_6 = 1,\mu\text{F}$.
  • Khâu tạo chùm xung cao tần và cách ly: Sử dụng 2 vi mạch AN555 (c và d) thiết kế mạch dao động đa hài tần số $10\text{ kHz}$ ($R_{17} = R_{18} = R_{19} = R_{20} = 1\text{ k}\Omega$, $C_9 = C_{10} = 0{,}1,\mu\text{F}$). Tín hiệu đơn ổn được trộn với dao động cao tần qua cổng logic AND trong IC 7408 để tạo chuỗi chùm xung kích. Tín hiệu xung kích sau đó được đưa qua hai bộ cách ly quang Opto 4N26A và 4N26B ($R_{23} = R_{25} = 2{,}2\text{ k}\Omega$) và qua tầng khuếch đại đệm transistor để cấp dòng kích chắc chắn vào cực cổng $G_1, G_2$ của hai thyristor.

Thiết kế mô hình bàn thí nghiệm: Bàn thí nghiệm có diện tích bố trí linh kiện $(40 \times 60)\text{ cm}$, mặt panel bố trí trực quan theo sơ đồ nguyên lý: phía trên là đồng hồ đo vôn, đồng hồ đo ampe, nguồn $300\text{V}$ và công tắc bảo vệ; khu vực trung tâm là các cọc đấu nối của linh kiện công suất (SCR1, SCR2, D1, D2, D3, L1, L2, C1, C2), núm xoay biến trở $VR$ và các đầu ra xung kích $XK_1, XK_2$; phía dưới là trạm đấu nối các loại tải tiêu thụ (tải thuần trở bóng đèn, tải cuộn cảm, tải động cơ DC) và ổ cắm nguồn xoay chiều cấp cho dao động ký.

Nội dung chính theo từng chương

Phần Dẫn nhập và Cơ sở lý luận

Trình bày tính cấp thiết của việc xây dựng thiết bị dạy học trong đào tạo kỹ thuật, xác định mục tiêu, giới hạn đề tài và kế hoạch tiến độ 6 tuần. Tác giả phân tích cơ sở lý luận về mối quan hệ giữa nhận thức và thực tiễn, khẳng định vai trò của việc thu thập dữ liệu gốc từ tài liệu kỹ thuật chuyên ngành và phương pháp chế tạo mô hình thực nghiệm trực quan phục vụ sinh viên kỹ thuật.

Chương I: Giới thiệu các linh kiện bán dẫn

Khảo sát chi tiết cấu tạo bán dẫn, nguyên lý chuyển mạch và đặc tính kỹ thuật của 3 nhóm linh kiện bán dẫn công suất cơ bản:

  • Diode công suất: Cấu trúc tiếp giáp P-N, mật độ dòng điện danh định $10\text{A/mm}^2$, sụt áp thuận $1 \div 2\text{ V}$, thời gian phục hồi ngược $T_{off}$ tính bằng microgiây, các biểu thức tính tổn hao công suất thuận, tổn hao ngược và tổn hao chuyển mạch dựa trên phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
  • Transistor công suất (BJT): Cấu trúc 3 lớp NPN/PNP, 3 trạng thái làm việc (dẫn khuếch đại, ngắt, bão hòa), các đặc tuyến V-A tĩnh, dòng cực đại $I_{c,max}$, điện áp đánh thủng $BV_{CEO}, BV_{CBO}$, công suất tiêu tán cực đại $P_{D,max}$ và tần số cắt $f_{cut-off}$.
  • Thyristor (SCR): Cấu trúc 4 lớp P-N-P-N, cơ chế dẫn dòng dạng thác lũ khi có xung kích dòng $I_G$ tại cực cổng, các điều kiện mở van ($V_{AK} > 1\text{V}, I_G \ge I_{Gst}$), hai phương pháp khóa van (giảm dòng làm việc dưới dòng duy trì $I_H$ hoặc đặt điện áp ngược $V_{AK} < 0\text{V}$), đặc tuyến Volt-Ampe 4 đoạn và giải pháp bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch nội/ngoại bằng mạch lọc RC chống biến thiên $du/dt$.

Chương II: Khảo sát phần động lực

Tập trung khảo sát đối tượng tải chấp hành chính là động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

  • Cấu tạo chi tiết phần tĩnh (stator gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ) và phần quay (rotor gồm lõi thép lá kỹ thuật điện dày $0{,}5\text{ mm}$, dây quấn phần ứng, cổ góp, chổi than).
  • Nguyên lý chuyển đổi điện cơ, phương trình sức điện động $E_u = K_e \Phi n$ và momen điện từ $M = K_m \Phi I_u$.
  • Thiết lập phương trình đặc tính cơ $n = \frac{U}{K_e \Phi} - \frac{R_u}{K_e K_m \Phi^2} M$ và phương trình đặc tính tốc độ $n = \frac{U}{K_e \Phi} - \frac{R_u}{K_e \Phi} I_u$.
  • So sánh 4 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC:
    1. Thay đổi điện áp phần ứng: Giữ nguyên từ thông định mức, chỉ cho phép giảm tốc độ dưới tốc độ cơ bản, giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ, phạm vi điều chỉnh $D = 10:1$.
    2. Thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng: Điều chỉnh nhảy cấp, làm giảm độ cứng đặc tính cơ và gây tổn thất nhiệt lớn trên điện trở phụ.
    3. Thay đổi từ thông kích từ: Chỉ cho phép giảm từ thông để tăng tốc độ lên trên tốc độ cơ bản (giới hạn an toàn $n \le 3 n_{đm}$).
    4. Rẽ mạch phần ứng: Giảm tốc độ dưới tốc độ cơ bản với tổn thất năng lượng thấp hơn so với nối tiếp điện trở phụ thuần túy.

Chương III: Khảo sát mạch điều khiển điện áp bằng cách thay đổi độ rộng xung

Phân tích nguyên lý bộ biến đổi điện áp DC/DC kiểu băm xung nối tiếp:

  • Khảo sát biểu thức điện áp trung bình ngõ ra $U_d = D \cdot E$ với tỷ số chu kỳ $D = t_{on} / T$.
  • Phân tích điều kiện phân chia và công thức giải tích của hai chế độ dòng điện tải: chế độ liên tục (van dẫn khi dòng tải chưa về 0) và chế độ gián đoạn (năng lượng điện cảm xả hết, dòng tải triệt tiêu trước khi hết chu kỳ băm), đưa ra các phương trình xác định biên độ cực đại $I_{max}$, cực tiểu $I_{min}$ và độ đập mạch dòng điện $\Delta I$.
  • Khảo sát nguyên lý sơ đồ băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp: Hoạt động chuyển mạch thông qua tụ điện $C$, diode chặn $D_1$, cuộn cảm $L$ và SCR phụ $S_2$, minh họa chi tiết dạng sóng điện áp trên tụ đảo dấu từ $+E$ sang $-E$ để dập tắt SCR chính $S_1$.
  • Khảo sát nguyên lý sơ đồ băm xung tắt cưỡng bức bằng dòng điện: Sử dụng mạch dao động LC tạo dòng điện ngược vượt quá dòng tải để triệt tiêu dòng qua $S_1$, duy trì thời gian phục hồi qua diode ngược $D_2$.
  • Phân tích sơ đồ khối mạch phát xung điều khiển gồm 6 khối chức năng: nguồn nuôi, dao động tạo sóng tam giác, so sánh độ rộng xung, định thời đơn ổn, dao động cao tần, trộn tín hiệu và xuất xung cách ly quang.

Chương IV: Thiết kế và thi công mạch

Trình bày toàn bộ quá trình tính toán giải tích thông số các linh kiện cho mạch động lực và mạch điều khiển dựa trên các yêu cầu ban đầu ($E = 300\text{V}, I_{tải} = 6\text{A}, t_{off} = 50,\mu\text{s}, f = 200\text{Hz}$):

  • Tính chọn linh kiện mạch băm áp ($C_1 = 2,\mu\text{F}, L_1 = 60{,}66,\mu\text{H}, I_{SCR1} \ge 23{,}3\text{A}$, tính toán số vòng dây cuộn cảm $L_1$).
  • Tính chọn linh kiện mạch băm dòng ($L_2 = 0{,}72\text{ mH}, C_2 = 3{,}72,\mu\text{F}, R = 100\text{ k}\Omega$, tính toán số vòng dây cuộn cảm $L_2$).
  • Tính toán mạch điều khiển xung quanh IC 741 ($R_1, R_2, R_3, R_4, C_1, C_2, VR = 5\text{ k}\Omega$), IC định thời AN555 đơn ổn ($R_{11} = R_{12} = 470,\Omega, C_5 = C_6 = 1,\mu\text{F}$) và AN555 cao tần $10\text{ kHz}$ ($R_{17} = R_{18} = R_{19} = R_{20} = 1\text{ k}\Omega, C_9 = C_{10} = 0{,}1,\mu\text{F}$).
  • Trình bày sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh toàn mạch và bản vẽ bố trí lắp đặt linh kiện trên bo mạch in.

Chương V: Thiết kế và thi công mô hình

Trình bày các tiêu chuẩn thiết kế bàn thực tập sư phạm kỹ thuật: tính trực quan, tính an toàn điện đối với điện áp công tác $300\text{V}$, tính thẩm mỹ và độ bền thao tác. Bản vẽ quy hoạch mặt trước bàn thí nghiệm kích thước $40 \times 60\text{ cm}$ phân bổ các khu vực: đo lường (đồng hồ Vôn, Ampe), cấp nguồn DC/AC, các linh kiện công suất rời (SCR, Diode, L, C), núm điều chỉnh xung kích $VR$, và khu vực trạm tải (tải trở, tải cảm, tải động cơ). Chương này cũng đính kèm hình ảnh chụp thực tế sản phẩm hoàn thiện ở mặt trước và hệ thống dây nối bên trong mặt sau bàn thực tập.

Chương VI: Soạn bài thực tập

Xây dựng giáo trình thực hành chi tiết gồm 2 bài thí nghiệm hoàn chỉnh:

  • Bài 1: Mạch băm xung tắt cưỡng bức bằng điện áp. Hướng dẫn quy trình đấu nối nguồn $300\text{V}$, kết nối xung kích $XK_1, XK_2$ vào cực cổng $G_1, G_2$, thao tác biến trở $VR$ tại 3 mức điều chỉnh (từ cực tiểu đến cực đại). Hướng dẫn sinh viên đo và vẽ dạng sóng dao động ký trên tải, trên tụ điện $C_1$ và trên hai thyristor $S_1, S_2$ tương ứng với 3 loại tải (thuần trở bóng đèn, tải cảm, tải động cơ DC); lưu ý quy tắc mắc diode đệm $D_3$ chống quá áp khi ngắt tải cảm/động cơ.
  • Bài 2: Mạch băm xung bằng phương pháp dòng điện. Quy trình lắp ráp tương tự trên sơ đồ mạch dao động dập dòng LC ($L_2, C_2, D_1, D_2$), đo đạc thông số trên đồng hồ và ghi nhận dạng sóng trên tải, trên diode $D_1, D_2$, trên tụ $C_2$ và trên các SCR.
  • Phần kết quả bài thực nghiệm theo lý thuyết: Cung cấp đồ thị dạng sóng chuẩn đối chứng, ví dụ tính toán điện áp lý thuyết ($T_{on} = 2\text{ ms}, T = 5\text{ ms} \Rightarrow D = 0{,}4 \Rightarrow U_{tải} = 0{,}4 \times 300 = 120\text{ V}$), giải thích nguyên nhân sai số giữa giá trị đo trên VOM và giá trị giải tích, cùng hệ thống câu hỏi kiểm tra đánh giá sinh viên.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Thiết kế, thi công và vận hành thành công mạch băm xung điện áp một chiều công suất lớn hoạt động với nguồn cung cấp $300\text{ V}$, dòng tải định mức $6\text{ A}$, cho phép điều chỉnh trơn điện áp ngõ ra trong dải $30\text{ V} \div 300\text{ V}$ ở tần số cố định $200\text{ Hz}$.
  • Chế tạo thành công mạch tạo xung kích biến đổi độ rộng xung kết hợp chùm xung cao tần $10\text{ kHz}$ cách ly quang bằng Opto 4N26, đảm bảo kích mở chính xác và tin cậy cho cả hai cấu hình thyristor chính và thyristor phụ.
  • Hoàn thiện mô hình bàn thí nghiệm panel kích thước $(40 \times 60)\text{ cm}$ đạt yêu cầu an toàn điện, bố trí module trực quan giúp thao tác đấu nối nhanh chóng, không bị rối dây.
  • Xây dựng hoàn chỉnh tài liệu hướng dẫn 2 bài thí nghiệm thực hành chuyên sâu (băm áp tắt cưỡng bức bằng điện áp và bằng dòng điện) kèm hệ thống giản đồ xung đối chứng lý thuyết - thực nghiệm trên 3 dạng tải.

Đóng góp của đồ án:

  • Về mặt sư phạm kỹ thuật: Tạo ra một bộ thiết bị dạy học thực nghiệm trực quan cho Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, giúp sinh viên kiểm chứng trực tiếp các hiện tượng quá độ phức tạp của môn học Điện tử công suất mà trước đó chỉ tiếp cận qua lý thuyết sách vở.
  • Về mặt kỹ thuật chuyên môn: Hiện thực hóa thành công giải pháp chuyển mạch cưỡng bức cho linh kiện thyristor trong lưới điện một chiều - một kỹ thuật chuyển mạch phức tạp đòi hỏi tính toán chính xác chu kỳ dao động riêng của mạch LC và thời gian phục hồi tính chất khóa của van bán dẫn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận trong văn bản:

  • Hệ thống chỉ thực hiện điều khiển điện áp một chiều theo cấu hình vòng hở; chưa thiết kế được mạch điều khiển vòng kín có phản hồi tốc độ hoặc điện áp để tự động ổn định tốc độ động cơ khi tải thay đổi.
  • Phương pháp điều khiển mới chỉ tập trung vào việc biến đổi độ rộng xung (PWM) ở tần số băm cố định ($200\text{ Hz}$); chưa khảo sát và triển khai phương pháp điều khiển thay đổi tần số băm hoặc phương pháp kết hợp đồng thời thay đổi cả tần số lẫn độ rộng xung.
  • Về quy mô cơ sở vật chất: Đồ án mới thi công phần bàn thí nghiệm phục vụ cho 1 nhóm thực tập (chiếm diện tích $40 \times 60\text{ cm}$), chưa hoàn thiện đồng bộ nửa module còn lại trên bàn thực tập đôi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo do nhóm tác giả đề xuất:

  • Bổ sung mạch điều khiển vòng kín cho hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định vận hành và đáp ứng động học khi làm việc với tải bất kỳ.
  • Nghiên cứu mở rộng mạch điều khiển để thực nghiệm các phương pháp băm xung thay đổi tần số.
  • Thiết kế bo mạch ghép nối máy vi tính để thu thập dữ liệu tự động, hiển thị trực tiếp các dạng sóng điện áp, dòng điện trên màn hình máy tính và lập trình điều khiển tải từ máy vi tính.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm chuyên ngành Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý chi tiết và giáo trình bài tập thực hành mẫu để xây dựng hoặc nâng cấp các mô hình thực tập Điện tử công suất và Truyền động điện.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa và Sư phạm Kỹ thuật Điện: Tài liệu tham khảo cho các đồ án môn học Điện tử công suất, Kỹ thuật xung số và đồ án tốt nghiệp liên quan đến bộ biến đổi DC/DC, kỹ thuật điều khiển thyristor và điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.

Các nội dung đáng tham khảo nhất trong tài liệu:

  • Phương pháp tính toán giải tích mạch chuyển mạch cưỡng bức LC cho thyristor tại Chương IV (các bước xác định thông số $L, C$ dựa trên $t_{off}$ và cân bằng năng lượng dao động).
  • Thiết kế mạch phát xung kích kết hợp giữa op-amp tạo sóng tam giác, IC 555 điều chế độ rộng và chùm xung cao tần $10\text{ kHz}$ cách ly quang tại Chương III và Chương IV.
  • Cấu trúc xây dựng bài thực hành kỹ thuật sư phạm tại Chương VI, hướng dẫn sinh viên phân tích sự khác biệt về dạng sóng điện áp và dòng điện giữa các loại tải thuần trở, tải cảm và tải động cơ có sức điện động phản hồi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạch băm xung một chiều dùng thyristor bắt buộc phải có thêm các linh kiện dao động LC và thyristor phụ?

Khi thyristor đã dẫn trong mạch điện một chiều (DC), cực cổng (gate) mất hoàn toàn tác dụng điều khiển ngắt dòng. Khác với nguồn xoay chiều (AC) có điện áp tự nhiên về 0 ở mỗi nửa chu kỳ, nguồn DC duy trì điện thế liên tục. Do đó, để dập tắt thyristor chính ($S_1$), mạch bắt buộc phải bố trí thêm mạch chuyển mạch cưỡng bức gồm cuộn cảm $L$, tụ điện $C$ và thyristor phụ $S_2$. Mạch này có nhiệm vụ tạo ra dao động nạp xả để đặt một điện áp ngược lên hai cực Anode - Cathode của $S_1$ hoặc tạo một xung dòng điện ngược triệt tiêu dòng thuận qua $S_1$ trong khoảng thời gian lớn hơn thời gian phục hồi tính chất khóa ($t_{off} = 50,\mu\text{s}$) của van.

2. Mạch tạo xung kích trong đồ án sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để đảm bảo thyristor mở chắc chắn và an toàn?

Mạch điều khiển sử dụng hai kỹ thuật phối hợp:

  • Trộn xung đơn ổn chuẩn ($0{,}5\text{ ms}$) với chuỗi dao động tần số cao $10\text{ kHz}$ phát ra từ IC AN555 thông qua cổng logic AND trong IC 7408. Kết quả tạo ra một chùm xung kích nhiều xung liên tiếp đặt vào cực cổng, làm tăng năng lượng kích và đảm bảo thyristor kích mở chắc chắn ngay cả khi tải có tính cảm kháng lớn.
  • Sử dụng vi mạch cách ly quang Opto 4N26 và tầng khuếch đại đệm transistor trước khi đưa tín hiệu đến cực cổng $G_1, G_2$. Giải pháp này cách ly hoàn toàn mạch vi điện tử điều khiển ($\pm 12\text{V}$) với mạch động lực công suất cao ($300\text{V}$), chống nhiễu và bảo vệ an toàn cho hệ thống điều khiển.

3. Khi thí nghiệm với tải điện cảm và tải động cơ điện một chiều, tại sao bắt buộc phải mắc thêm diode $D_3$ song song ngược với tải?

Tải điện cảm và cuộn dây phần ứng động cơ có khả năng tích lũy năng lượng từ trường $W = \frac{1}{2} L i^2$. Khi thyristor chính $S_1$ chuyển trạng thái từ dẫn sang ngắt đột ngột, dòng điện bị cắt nhanh tạo ra sức điện động tự cảm rất lớn ($e = -L \frac{di}{dt}$) ngược chiều với nguồn điện ban đầu. Nếu không có diode đệm $D_3$ mắc song song ngược với tải để tạo đường khép kín phóng thích năng lượng tích lũy, sức điện động cảm ứng này sẽ gây ra hiện tượng quá điện áp đánh thủng thyristor và các linh kiện chuyển mạch trong bộ băm.

4. Dạng sóng điện áp trên tải khác nhau như thế nào giữa ba loại tải: thuần trở, cảm và động cơ DC?

Theo kết quả phân tích tại Chương VI của đồ án:

  • Tải điện trở thuần: Bản thân điện trở không có khả năng tích trữ năng lượng, do đó dạng sóng điện áp ngõ ra bám sát chính xác chu kỳ đóng ngắt của thyristor; khi thyristor ngắt, điện áp trên tải lập tức giảm về 0.
  • Tải điện cảm: Cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường trong thời gian van dẫn và phóng điện qua diode hồi dòng $D_3$ trong thời gian van ngắt, làm cho dòng điện tải duy trì liên tục hoặc suy giảm dần theo hàm mũ, dạng sóng dòng điện có tính chất làm phẳng hơn.
  • Tải động cơ điện một chiều: Động cơ khi quay xuất hiện sức điện động cảm ứng bên trong phần ứng ($E_u$). Trong khoảng thời gian van ngắt và năng lượng điện cảm đã xả hết, điện áp đo được trên hai đầu phần ứng không bằng 0 mà duy trì ở giá trị bằng đúng sức điện động phản hồi $E_u$ do rotor đang quay tạo ra.

5. Hiện tượng gì sẽ xảy ra nếu mạch điều khiển bị mất xung kích cấp cho cực cổng của thyristor chính $S_1$?

Theo phân tích kết quả thí nghiệm ở Chương VI, nếu một trong hai xung kích bị mất, cơ chế băm xung luân phiên sẽ không thể thực hiện được. Cụ thể, nếu mất xung kích cấp cho cực cổng $S_1$, thyristor chính sẽ không thể mở dẫn dòng qua tải, toàn bộ mạch tải bị cô lập khỏi nguồn điện $300\text{V}$ và điện áp cũng như dòng điện ngõ ra tải đều bằng 0. Ngược lại, nếu mất xung kích tại thyristor phụ $S_2$, thyristor chính $S_1$ sau khi được kích mở lần đầu sẽ tiếp tục dẫn điện liên tục mà không thể tự khóa lại, làm cho tải hoạt động trực tiếp với toàn bộ điện áp nguồn $300\text{V}$ mà không còn khả năng điều chỉnh điện áp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm Điện tử công suất" của sinh viên Trần Dũng Huỳnh Đăng Tuấn đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán, thi công phần cứng mạch băm xung một chiều $300\text{V} - 6\text{A}$ dùng thyristor và bàn thực tập sư phạm kích thước $40 \times 60\text{ cm}$. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết giải tích chuyển mạch cưỡng bức LC với thực nghiệm đo kiểm dao động ký trên các dạng tải thực tế, đồng thời biên soạn thành công 2 bài thực hành có giá trị áp dụng trực tiếp cho giảng dạy chuyên ngành. Mặc dù còn hạn chế về việc chưa tích hợp điều khiển vòng kín và chưa giao tiếp máy tính, đây là một tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy thực nghiệm cao, đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo thực hành Điện tử công suất tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.