Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các thiết bị bán dẫn công suất ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong hầu hết các ngành công nghiệp mũi nhọn như sản xuất xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt sợi, đóng tàu cũng như trong đời sống sinh hoạt. Yêu cầu vận hành các dây chuyền sản xuất kỹ thuật cao đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật và kỹ sư ngành điện phải nắm vững kiến thức chuyên sâu về điện tử công suất, vi mạch và kỹ thuật vi xử lý hiện đại. Để đáp ứng yêu cầu thực tiễn này, các cơ sở đào tạo kỹ thuật, tiêu biểu là Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, cần trang bị các mô hình thí nghiệm trực quan nhằm hỗ trợ người học tiếp cận sâu sắc lý thuyết và rút ngắn khoảng cách với thực tế sản xuất.

Tại thời điểm nghiên cứu (tháng 07/2002), các mô hình thí nghiệm chuyên ngành Điện tử Công suất tại Khoa Điện - Điện tử của trường vẫn còn mới mẻ và chưa phổ biến. Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Thí Nghiệm Điện Tử Công Suất" do sinh viên Cao Quốc Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Đậu Trọng Hiển nhằm giải quyết nhu cầu thực hành tại chỗ cho sinh viên.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các linh kiện bán dẫn công suất và nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi năng lượng điện.
  2. Khảo sát và tính toán thiết kế các bộ biến đổi cơ bản: biến đổi xoay chiều sang một chiều (chỉnh lưu AC-DC), biến đổi một chiều sang xoay chiều (nghịch lưu DC-AC), và biến đổi một chiều sang một chiều (bộ biến đổi xung áp DC-DC).
  3. Thiết kế, tính toán các mạch tạo xung điều khiển, mạch đồng bộ và mạch điều chế độ rộng xung (PWM).
  4. Thi công hoàn chỉnh bàn thí nghiệm tích hợp (kích thước $600 \times 297\text{ mm}$) gồm đầy đủ phần mạch lực, mạch điều khiển, khối nguồn cách ly và các mô-đun tải thí nghiệm thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các mạch điện tử công suất cơ bản sử dụng Diode, BJT công suất, SCR (Thyristor), Triac, GTO và các mạch điều khiển kích mở tương ứng.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào 3 cấu hình biến đổi chính: AC-DC (chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, có điều khiển và không điều khiển), DC-AC (nghịch lưu cầu độc lập điều chế PWM) và DC-DC (bộ biến đổi Buck). Do giới hạn thời gian và điều kiện thực hiện, đề tài chủ động không triển khai bộ đổi điện xoay chiều sang xoay chiều (AC-AC) và các bộ đóng ngắt/điều hòa điện áp xoay chiều.
  • Thời gian và địa điểm: Đề tài được thực hiện trong 16 tuần tại Bộ môn Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Đề tài dựa trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất kinh điển, bao gồm:

  • Đặc tính linh kiện bán dẫn: Khảo sát đặc tính tĩnh (V-I), đặc tính đóng ngắt, thông số giới hạn dòng điện, điện áp ngược cực đại ($U_{R\max}$ hoặc $BV$), công suất tiêu tán cực đại ($P_{d\max}$), tần số cắt ($f_{\text{cut-off}}$) và hiện tượng tổn hao chuyển mạch của Diode, BJT, SCR, Triac, GTO.
  • Lý thuyết chỉnh lưu điều khiển pha: Phân tích toán học dạng sóng điện áp ngõ ra trung bình ($V_{d0}$, $V_{d\alpha}$), hệ số công suất phía thứ cấp máy biến áp ($\cos\varphi_2$), hiện tượng sụt áp do điện cảm tản MBA và hiện tượng ngắn mạch van.
  • Lý thuyết nghịch lưu độc lập áp: Phân tích hoạt động mạch nghịch lưu nửa cầu, toàn cầu và đẩy kéo với các dạng tải thuần trở ($R$), thuần cảm ($L$) và tải trở - cảm ($R+L$), vai trò của diode thu hồi năng lượng (diode ngược).
  • Lý thuyết biến đổi điện áp DC-DC: Nguyên lý tích lũy và truyền năng lượng trong các chu kỳ đóng ngắt qua các cuộn cảm và tụ điện theo tỷ số chu kỳ $D$ (duty cycle).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo phần cứng:

  • Phương pháp tham khảo và tổng hợp tài liệu: Thu thập, sàng lọc dữ liệu từ các giáo trình chuyên ngành chính thống như giáo trình của Nguyễn Bính, Tống Văn On, Lê Thanh Đạo, Phạm Quốc Hải.
  • Phương pháp mô hình hóa và tính toán giải tích: Xây dựng hệ thống công thức giải tích để tính chọn tham số mạch định thiên cho transistor, tính giá trị linh kiện $R, C$ cho các bộ dao động tạo sóng sin, tam giác, răng cưa và xung vuông.
  • Phương pháp thực nghiệm - thi công: Lắp ráp thử nghiệm từng module mạch trên bảng mạch mẫu, đo kiểm tra dạng sóng và biên độ điện áp, sau đó tích hợp toàn bộ lên mặt bảng panel hoàn chỉnh.

Kế hoạch tiến độ thực hiện

Quá trình nghiên cứu và chế tạo được phân bổ qua 16 tuần:

  • Tuần 1: Chọn đề tài, chính xác hóa đề tài, lập đề cương và thu thập dữ kiện ban đầu.
  • Tuần 2: Biên soạn phần dẫn nhập, cơ sở lý luận và giới thiệu chung.
  • Tuần 3: Biên soạn nội dung lý thuyết chi tiết các bộ biến đổi.
  • Tuần 4 - 5: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch trên bản vẽ.
  • Tuần 6 - 13: Tiến hành thi công phần cứng, lắp ráp và chạy thử mạch thực tế.
  • Tuần 14 - 15: Biên soạn các phần nội dung còn lại và đánh máy hoàn thiện văn bản.
  • Tuần 16: Hoàn thiện báo cáo lý thuyết, in ấn và nộp luận văn tốt nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống mô hình thí nghiệm được thiết kế dưới dạng bàn thực hành đa năng, tích hợp toàn diện phần mạch lực và mạch điều khiển trên một mặt panel duy nhất.

1. Thiết kế các mạch tạo tín hiệu điều khiển

  • Mạch biến đổi tín hiệu sin sang răng cưa (Đồng bộ tần số lưới 50Hz):
    • Tầng khuếch đại bão hòa: Sử dụng transistor $Q_1$ (loại C1815) hoạt động ở chế độ lớp A nhưng với biên độ ngõ vào lớn để tạo điện áp ngõ ra dạng xung vuông bão hòa. Với nguồn $V_{CC} = 12\text{V}$, điểm làm việc tĩnh được chọn $I_C = 2\text{ mA}$, hệ số khuếch đại $\beta = 10$, dòng cực gốc $I_B = 0.2\text{ mA}$. Điện trở tải cực thu $R_4 = 1\text{ k}\Omega$, điện trở phân cực cực gốc $R_{BB} = 3500\ \Omega$ (chọn $R_2 = 100\text{ k}\Omega, R_3 = 3.3\text{ k}\Omega$).
    • Tầng đóng ngắt và nguồn dòng nạp tụ: Transistor $Q_2$ (C1815) làm nhiệm vụ đóng ngắt xả tụ; transistor $Q_3$ (loại A1015) được cấu hình thành nguồn dòng nạp tuyến tính cho tụ $C_3 = 0.1\ \mu\text{F}$. Với chu kỳ lưới $50\text{ Hz}$ ($T = 0.02\text{s}$, bán kỳ $0.01\text{s}$), tốc độ tăng điện áp nạp đạt $12\text{V}$ trong $0.01\text{s}$ (tương đương $1200\text{V/s}$), dòng nạp $I_{CQ3} = C_3 \times 1200 = 0.264\text{ mA}$, điện trở định dòng $R_6 = 45\text{ k}\Omega$.
  • Mạch tạo xung tam giác dùng Opamp:
    • Kết hợp mạch so sánh kích khởi Schmitt ($IC_1$) và mạch tích phân ($IC_2$). Để điện áp ngõ vào mạch Schmitt chuyển trạng thái quanh ngưỡng $0\text{V}$, tỷ số điện trở phải thỏa mãn $R_2 > R_3$. Tác giả lựa chọn $R_2 = 10\text{ k}\Omega, R_3 = 8.2\text{ k}\Omega$.
    • Tần số dao động tam giác được tính theo công thức: $f = \frac{1}{4CR} \frac{R_2}{R_3}$. Với yêu cầu dải tần từ $60\text{ Hz}$ đến $1\text{ kHz}$ và chọn tụ $C = 0.1\ \mu\text{F}$, mạch sử dụng điện trở $R_1 = 3.3\text{ k}\Omega$ nối tiếp với biến trở $VR = 50\text{ k}\Omega$ (dải tần thực tế đạt từ $57\text{ Hz}$ đến $924\text{ Hz}$).
  • Mạch tạo xung vuông dùng vi mạch định thời 555:
    • Yêu cầu dải tần ngõ ra từ $60\text{ Hz}$ đến $20\text{ kHz}$.
    • Công thức tính tần số: $f = \frac{1.44}{C_1(R_1 + 2R_2)}$. Thiết lập $C_1 = 0.0047\ \mu\text{F}$, $R_2 = 1.5\text{ k}\Omega$ (trong đó $2R_2 = 3\text{ k}\Omega$), $R_1$ gồm điện trở định vị $R_3 = 2\text{ k}\Omega$ nối tiếp biến trở $VR = 10\text{ k}\Omega$.

2. Thông số kỹ thuật và các khối chức năng trên panel thí nghiệm

Mặt trước của bộ thí nghiệm được chế tạo từ tấm dán dày $2\text{ mm}$, kích thước $600 \times 297\text{ mm}$, nền xanh dương in chữ trắng phân khu chức năng:

  • Nguồn cấp chính: Nguồn 1 pha $220\text{V} / 50\text{Hz}$ và nguồn 3 pha $220\text{V} / 380\text{V}$, có công tắc ON/OFF kèm đèn báo và cầu chì bảo vệ chính $F_1$ ($0.25\text{A} / 115\text{V}$).
  • Nguồn hạ áp cách ly nội bộ: Nguồn một chiều $+12\text{V DC} / 2.5\text{A}$ cách ly hoàn toàn với lưới điện chính; nguồn xoay chiều hạ áp 1 pha $12\text{V AC} / 1\text{A}$ (đầu ra $L_1, N$).
  • Mạch lực chỉnh lưu:
    • Mạch cầu 1 pha không điều khiển và có điều khiển ($I_{\max} = 1\text{A}$).
    • Mạch cầu 3 pha không điều khiển và có điều khiển ($I_{\max} = 1\text{A}$), hỗ trợ ghép nối linh hoạt các cấu hình sao, cầu đối xứng hoặc không đối xứng qua các jack cắm tiêu chuẩn $2\text{ mm}$.
  • Mạch nghịch lưu cầu H-Bridge: Cho phép điều khiển động cơ DC ở 4 góc phần tư, nhận tín hiệu điều chế xung PWM từ khối tạo sóng và cầu MOSFET/BJT nội bộ.
  • Khối linh kiện bán dẫn rời phục vụ đo kiểm: Transistor lưỡng cực BJT ($I_{\max} = 1\text{A}$), Recovery Diode ($I_{\max} = 1\text{A}$ kèm điện trở hạn dòng sai số $\pm 10%$), Triac ($I_{\max} = 1\text{A}$), GTO Thyristor ($I_{\max} = 1\text{A}$), Bộ điều khiển nhóm xung phát tần số cơ bản xấp xỉ $1\text{Hz}$.
  • Phụ tải thí nghiệm và khối đo: Điện trở đo dòng hạn chế $0.5\ \Omega / 2\text{W}$ (sai số $\pm 10%$), điện trở tải $2\ \Omega / 5\text{W}$, cuộn cảm ứng $20\text{ mH}$ ($I_{\max} = 1\text{A}$), tụ lọc $47\ \mu\text{F}$.
  • Mô-đun phụ tải điều khiển nhiệt độ và ánh sáng (Hệ thống loại 512.5 kết nối với P12 Board 5120):
    • Cảm biến nhiệt trở PTC: Điện trở định danh $80\ \Omega$.
    • Tải nhiệt/chiếu sáng: Bóng đèn sợi đốt $12\text{V} / 5\text{W}$.
    • Cảm biến quang trở LDR (mã FM200): Điện trở khi tối $R_{\text{tối}} > 10\text{ M}\Omega$, điện trở khi chiếu sáng $R_{\text{sáng}} = 75\ \Omega$, công suất tiêu tán tối đa $200\text{ mW}$ ở $40^\circ\text{C}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu các linh kiện bán dẫn

Chương này khảo sát cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của 3 nhóm linh kiện cốt lõi:

  • Diode tiếp giáp P-N: Phân tích quá trình khuếch tán hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp, điện áp rơi thuận định mức ($0.7\text{V}$ đối với Silicium, $0.2\text{V}$ đối với Germanium), dòng điện bão hòa ngược $I_S$ và hiện tượng đánh thủng khi điện áp ngược vượt quá $U_{R\max}$.
  • Transistor công suất (BJT NPN và PNP): Khảo sát 3 vùng làm việc (tuyến tính, gần bão hòa, bão hòa). Phân tích sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại dòng điện $\beta$ theo dòng $I_C$, các mức điện áp đánh thủng giới hạn ($BV_{CBO}, BV_{CEO}, BV_{EBO}$), công suất tiêu tán nhiệt $P_T = I_C \times U_{CE} \le P_{d\max}$ và tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển mạch.
  • SCR (Silicon Controlled Rectifier): Cấu trúc 4 lớp P-N-P-N với 3 cực Anode (A), Cathode (K) và Gate (G). Khảo sát 3 chế độ: phân cực ngược, phân cực thuận khi chưa có tín hiệu kích, và phân cực thuận khi có xung kích dòng $I_G$. Phân tích đặc tính duy trì dòng dẫn bằng dòng duy trì $I_H$ sau khi mất xung kích và điều kiện ngắt tự nhiên khi dòng điện qua van giảm về 0 trong lưới điện xoay chiều.

Chương II: Khảo sát bộ đổi điện xoay chiều sang một chiều

Nội dung chương tập trung phân tích toán học và nguyên lý của các sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển:

  • Chỉnh lưu không điều khiển (Dùng Diode):
    • Điện áp trung bình ngõ ra sơ đồ sao $q$ pha: $V_{d0} = \frac{q}{\pi} V_m \sin\left(\frac{\pi}{q}\right)$.
    • Điện áp chỉnh lưu sơ đồ sao cầu: là tổng đại số của sơ đồ sao ra dương và sao ra âm: $V_{d0} = \frac{2q}{\pi} V_m \sin\left(\frac{\pi}{q}\right)$.
    • Bảng so sánh hệ số công suất thứ cấp máy biến áp ($\cos\varphi_2$) theo số pha $q$:
Số pha ($q$) 2 3 4 6 12 18
$\cos\varphi_2$ (Sơ đồ hình sao) 0,636 0,675 0,636 0,550 0,400 0,332
$\cos\varphi_2$ (Sơ đồ sao cầu) 0,898 0,945 0,898 0,770 0,560 0,464

  • Công suất biểu kiến máy biến áp ($S_{MBA}$) tương quan với công suất tải ($V_{d0} I_d$):

    • Sơ đồ sao 1 pha: $S_{MBA} = 1.30 V_{d0} I_d$
    • Sơ đồ cầu 1 pha: $S_{MBA} = 1.11 V_{d0} I_d$
    • Sơ đồ sao 3 pha: $S_{MBA} = 1.83 V_{d0} I_d$
    • Sơ đồ sao cầu 3 pha: $S_{MBA} = 1.05 V_{d0} I_d$

  • Phân tích hiện tượng sụt áp do điện cảm tản MBA và phương trình vi phân dòng ngắn mạch ngõ ra qua giải tích toán tử Laplace.

  • Chỉnh lưu có điều khiển (Dùng SCR):

    • Sơ đồ sao có điều khiển: $V_{d\alpha} = V_{d0} \cos\psi$ (với $\psi$ là góc kích trễ). Khi $\psi$ nằm trong khoảng $[0, \pi/2]$, mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu; khi $\psi$ trong khoảng $[\pi/2, \pi]$, mạch làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc (chế độ hãm tái sinh).
    • Sơ đồ cầu không đối xứng: $V_{d\alpha} = V_{d0} \frac{1 + \cos\psi}{2}$.
    • Nguyên lý phân phối xung điều khiển: Đối với sơ đồ cầu 3 pha đối xứng, hệ thống điều khiển tạo 12 xung trong mỗi chu kỳ (gồm 6 xung chuyển mạch tự nhiên kết hợp 6 xung bảo đảm lệch nhau góc $60^\circ$ điện hay $1/6$ chu kỳ) để đảm bảo đồng thời 1 SCR nhóm cathode và 1 SCR nhóm anode cùng dẫn thông mạch.

Chương III: Khảo sát bộ chuyển đổi điện một chiều sang xoay chiều

Khảo sát các mạch nghịch lưu độc lập áp đổi nguồn DC ($12\text{V}, 24\text{V}, 48\text{V}$) thành AC $220\text{V} / 50\text{Hz}$:

  • Cấu hình mạch lực: Phân tích ưu nhược điểm của 3 sơ đồ: nửa cầu (yêu cầu nguồn đôi, không cần biến áp), đẩy kéo (cần 1 nguồn đơn nhưng biến áp cồng kềnh, nguy hiểm khi không tải), và sơ đồ cầu toàn phần (sử dụng 4 khóa bán dẫn, cấp trực tiếp vào tải với hiệu suất cao). Tác giả lựa chọn sơ đồ cầu toàn phần cho mô hình thí nghiệm.
  • Vai trò của Diode thu hồi năng lượng: Khi cấp điện cho tải có thành phần cảm kháng ($R+L$), tại thời điểm các khóa bán dẫn chuyển trạng thái, năng lượng tích lũy trong từ trường cuộn cảm sinh ra dòng phản kháng. Diode thu hồi năng lượng mắc song song ngược với khóa bán dẫn giúp hoàn trả năng lượng về nguồn, dập tắt xung quá áp đột biến bảo vệ an toàn cho transistor.
  • Nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM): So sánh sóng mang tam giác (tần số $60\text{ Hz} - 1\text{ kHz}$) với điện áp điều khiển một chiều $U_c$ qua Opamp để tạo ra chuỗi xung vuông có độ rộng thay đổi, điều khiển trực tiếp thời gian dẫn của các cặp van nghịch lưu chéo góc ($T_1-T_4$ và $T_2-T_3$).

Chương IV: Khảo sát bộ chuyển đổi điện một chiều sang một chiều

Chương này phân loại và phân tích chi tiết các sơ đồ biến đổi DC-DC đóng ngắt không cách ly và cách ly:

  • Khảo sát giải tích các cấu hình: Buck (hạ áp, $V_o = D V_i$), Boost (tăng áp, $V_o = \frac{V_i}{1-D}$), Buck-Boost (đảo cực tính điện áp), Fly-back, Forward (có cuộn dây khử từ), Đẩy kéo, Nửa cầu và Cầu.
  • Tiêu chí lựa chọn mạch thi công: Tác giả quyết định chọn sơ đồ Buck vì cấu trúc mạch đơn giản, đáp ứng trực quan tính năng giảm áp và dễ dàng thao tác khảo sát thực nghiệm đối với sinh viên.
  • Mạch điều khiển PWM cho van đóng ngắt DCX: Kết hợp vi mạch định thời 555 tạo sóng vuông dao động, đưa qua bộ đếm phân chia hai tín hiệu vuông lệch pha $180^\circ$, qua mạch tích phân đổi thành răng cưa và so sánh với điện áp DC qua Opamp để điều khiển góc dẫn của transistor chuyển mạch công suất.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và chế tạo

  • Hoàn thành đầy đủ tính toán lý thuyết và chế tạo thực tế bảng thí nghiệm Điện tử Công suất với kích thước chuẩn $600 \times 297\text{ mm}$, bề mặt panel xanh - trắng bố trí trực quan.
  • Tích hợp thành công 4 cụm chỉnh lưu công suất cơ bản: 1 pha không điều khiển, 1 pha có điều khiển, 3 pha không điều khiển và 3 pha có điều khiển, giới hạn dòng định mức làm việc an toàn $1\text{A}$.
  • Thiết kế và kiểm chứng thực nghiệm mạch tạo xung răng cưa đồng bộ điện áp lưới $50\text{Hz}$ qua tầng khuếch đại bão hòa $Q_1$ (C1815), công tắc xả $Q_2$ (C1815) và nguồn dòng $Q_3$ (A1015), cung cấp xung răng cưa biên độ $12\text{V}$ ổn định.
  • Chế tạo mạch tạo sóng tam giác dùng 2 Opamp ($IC_1$ Schmitt, $IC_2$ tích phân) điều chỉnh tần số thực nghiệm trong dải $57\text{ Hz} - 924\text{ Hz}$, cùng mạch tạo xung vuông dùng vi mạch 555 hoạt động từ $60\text{ Hz}$ đến $20\text{ kHz}$.
  • Lắp ráp hoàn chỉnh các khối tải và cảm biến tích hợp: tải trở $2\ \Omega / 5\text{W}$, cuộn cảm $20\text{ mH} / 1\text{A}$, cầu H-Bridge điều khiển động cơ DC 4 góc phần tư, cụm điều khiển nhiệt độ và ánh sáng dùng cảm biến PTC $80\ \Omega$ và LDR FM200.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp một bộ thiết bị giảng dạy và thực hành chuyên đề Điện tử Công suất tự chế tạo trong nước, giúp sinh viên Khoa Điện - Điện tử quan sát trực tiếp các dạng sóng điện áp, dòng điện và quy luật kích mở van công suất.
  • Rút ngắn khoảng cách giữa kiến thức lý thuyết trừu tượng và kỹ năng khảo sát mạch thực tế, phục vụ công tác nâng cao chất lượng đào tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Do hạn chế về thời gian thực hiện (16 tuần) và kinh nghiệm thực tiễn, đề tài chưa thể triển khai bộ biến đổi điện áp xoay chiều sang xoay chiều (AC-AC) và các mạch điều khiển đóng ngắt/điều hòa điện xoay chiều công suất lớn.
    • Các mạch lực thi công trên bàn thí nghiệm được thiết kế hoạt động ở dải công suất và dòng điện nhỏ (dưới $1\text{A}$), chủ yếu phục vụ đo đạc dạng sóng thí nghiệm, chưa đáp ứng thử nghiệm các loại tải công nghiệp dòng tải lớn.
    • Tần số mạch dao động tam giác thực nghiệm đạt cực đại $924\text{ Hz}$ (chưa đạt mức $1\text{ kHz}$ trên lý thuyết do sai số dung sai của linh kiện thụ động $R, C$).
  • Hướng mở rộng:
    • Bổ sung các phân hệ biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều (AC-AC) và bộ điều khiển điện áp xoay chiều bằng Triac/Thyristor công suất.
    • Nâng cấp mạch điều khiển phát xung kích bằng việc ứng dụng kỹ thuật vi xử lý hoặc vi điều khiển số thay thế các mạch tạo sóng rời rạc bằng linh kiện tương tự (Opamp, 555).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Tự động hóa và Sư phạm Kỹ thuật đang thực hiện các bài tập lớn, đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế phần cứng điện tử công suất.
  • Giảng viên phụ trách phòng thí nghiệm Điện tử Công suất trong việc thiết kế, xây dựng và chuẩn hóa các bài thí nghiệm đo kiểm thực hành.
  • Phần đáng tham khảo nhất:
    • Phương pháp thiết kế mạch tạo xung răng cưa đồng bộ trực tiếp từ dạng sóng sin nguồn $50\text{ Hz}$ của lưới điện.
    • Thuật toán phân phối xung đôi (xung bảo đảm) cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển đối xứng.
    • Các công thức giải tích tính chọn tham số dòng điện, điện áp và dung sai linh kiện cho các mạch nguồn DC-DC và mạch định thời Opamp/555.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn lấy trực tiếp điện áp sin 50Hz đặt trên SCR để tạo xung kích thay vì dùng bộ dao động độc lập?

Mạch điều khiển SCR hoạt động theo nguyên tắc điều khiển pha, đòi hỏi xung kích mở phải hoàn toàn đồng bộ về tần số và góc pha với điện áp nguồn đặt lên hai cực Anode - Cathode của van. Nếu dùng bộ dao động độc lập, do sai số chế tạo của các linh kiện điện trở, tụ điện, tần số phát xung sẽ dễ bị trôi và không thể trùng khớp hoàn toàn với tần số lưới điện $50\text{Hz}$. Việc trích trực tiếp điện áp sin $50\text{Hz}$ từ nguồn cấp của SCR để biến đổi thành xung răng cưa đảm bảo tính đồng bộ tuyệt đối giữa xung kích và chu kỳ điện áp làm việc.

2. Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển đối xứng, tại sao bắt buộc phải kích xung kép (xung bảo đảm)?

Trong sơ đồ cầu 3 pha đối xứng, để mạch điện khép kín dòng qua tải bắt buộc phải có đồng thời 2 Thyristor cùng dẫn: 1 Thyristor thuộc nhóm Cathode chung (nhóm ra dương) và 1 Thyristor thuộc nhóm Anode chung (nhóm ra âm). Nếu mỗi Thyristor chỉ nhận một xung kích đơn tại thời điểm chuyển mạch tự nhiên của nó, tại thời điểm bắt đầu đóng điện hoặc ở chế độ dòng gián đoạn, Thyristor thứ hai trong cặp có thể chưa được kích mở, khiến mạch không thể khép kín. Do đó, hệ thống điều khiển phải phát xung kép (hoặc chùm xung) gồm 1 xung chính và 1 xung bảo đảm lặp lại sau đó $60^\circ$ điện ($1/6$ chu kỳ) đồng bộ với xung chính của Thyristor kế tiếp.

3. Lý do tác giả chọn cấu hình Buck để thi công khối biến đổi DC-DC trên mô hình là gì?

Mặc dù đề tài đã khảo sát lý thuyết toàn diện nhiều sơ đồ (Buck, Boost, Buck-Boost, Fly-back, Forward, Đẩy kéo, Nửa cầu, Toàn cầu), tác giả lựa chọn sơ đồ Buck để thi công thực tế vì đây là cấu hình biến đổi hạ áp cơ bản, nguyên lý rõ ràng, số lượng linh kiện ít, dễ thi công và thuận tiện cho sinh viên thao tác đo đạc, khảo sát trực quan tỷ số chu kỳ xung $D$ tác động lên điện áp ngõ ra $V_o = D V_i$.

4. Vì sao trong mạch nghịch lưu nửa cầu và toàn cầu có tải cảm kháng bắt buộc phải mắc song song ngược các diode thu hồi năng lượng?

Khi phụ tải có thành phần cảm kháng ($L$), dòng điện và điện áp tải không đồng pha nhau. Tại thời điểm các khóa bán dẫn (BJT/MOSFET) chuyển mạch ngắt điện, năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn cảm chưa giải phóng hết sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng ngược chiều. Nếu không có diode mắc song song ngược (diode thu hồi năng lượng/diode free-wheeling), dòng điện phản kháng này bị gián đoạn đột ngột sẽ tạo ra xung điện áp cảm ứng cực lớn đánh thủng và phá hủy các linh kiện bán dẫn công suất. Diode thu hồi năng lượng giúp dẫn dòng phản kháng này hoàn trả an toàn về nguồn điện DC.

5. Mô-đun phụ tải điều khiển nhiệt độ và ánh sáng tích hợp trên bàn thí nghiệm gồm những thành phần nào?

Mô-đun phụ tải (loại 512.5 kết hợp với P12 Board 5120) bao gồm:

  • Một điện trở nhiệt nhiệt độ PTC có điện trở định mức $80\ \Omega$.
  • Một bóng đèn sợi đốt tiêu thụ $12\text{V} / 5\text{W}$ đóng vai trò vừa làm nguồn nhiệt vừa làm nguồn phát sáng.
  • Một cảm biến quang trở LDR mã FM200 với điện trở khi không có ánh sáng $> 10\text{ M}\Omega$, điện trở khi được chiếu sáng là $75\ \Omega$, và công suất tiêu hao tối đa $200\text{ mW}$ ở $40^\circ\text{C}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Thí Nghiệm Điện Tử Công Suất" của sinh viên Cao Quốc Tuấn đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán giải tích và thi công thực tế một bàn thí nghiệm chuyên ngành hoàn chỉnh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Hệ thống tích hợp đầy đủ các khối biến đổi AC-DC, DC-AC, DC-DC cùng các mạch điều khiển tạo xung sin-răng cưa, mạch tích phân Opamp và mạch điều chế xung 555 trên panel chuẩn kích thước $600 \times 297\text{ mm}$. Sản phẩm đã phục vụ trực tiếp cho hoạt động giảng dạy và thực hành của sinh viên, minh họa rõ ràng các hiện tượng chuyển mạch và điều khiển công suất thực tế. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao về mặt phương pháp tính chọn linh kiện và triển khai phần cứng cho các đề tài cùng chuyên ngành.