Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Hiền

293 trang ngocly 1790

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Hiền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dien_tu_cong_suat_le_van_hien.doc

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Lê Văn Hiền

0 BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Môn học: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Điện tử công suất là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 giờ gồm có: MĐ22-01: Tổng quan về điện tử công suất . MĐ22-02: Công tắc điện tử (Van bán dẫn công suất) MĐ22-03: Chỉnh lưu công suất không điều khiển. MĐ22-04: Chỉnh lưu công suất có điều khiển. MĐ22-05: Điều chỉnh điện áp xoay chiều MĐ22-06: Nghịch lưu Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sơ vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai . Đồng Nai, ngày 15 tháng 6 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS. Lê Văn Hiền 2. Ths. Trần Minh Đức
3 Mục Lục TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1 LỜI GIỚI THIỆU 2 BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 8 1. Quá trình phát triển 8 2. Nguyên tắc biến đổi tĩnh 10 2.1 Sơ đồ khối 10 2.2 Các loại tải 12 2.3 Các van biến đổi 12 3. Cơ bản về điều khiển mạch hở 13 3.1 Khái niệm cơ bản 13 3.2 Các phương pháp điều khiển 16 3.3 Phần tử chấp hành 21 4. Điều khiển mạch kín 21 4.1 Khái niệm 21 4.2 Hoạt động của vòng điều chỉnh 23 4.4 Khâu điều chỉnh dùng op-amp 34 Yêu cầu đánh giá 44 BÀI 2 CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ (VAN BÁN DẪN ) 45 1. Linh kiện điện tử công suất 45 1.1 Diode công suất 45 1.2 Thyristor 50 1.3 Triac và Diac 52 1.4 Transistor công suất 54 1.5. MOSFET 57 1.6 IGBT 62 1.7 GTO 63 2. PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DIODE SILIC 66 2.1 Bảo vệ quá áp 67 2.2 Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch 70 2.3 Bảo vệ quá nhiệt 73 3. Công tắc xoay chiều ba pha 77 3.1 Đại cương 78 3.2 Công tắc xoay chiều 79 3.3 Công tắc 3 pha 84 3.4 Úng dụng 87 4. Công tắc một chiều 92 4.1 Đại cương 92 4.2 Rờ le bán dẫn 92 4.3 Công tắc DC dùng transistor 92 Yêu cầu đánh giá kết quả học tập 101
4 BÀI 3 CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 102 1. Các khái niệm cơ bản 102 2. Mạch chỉnh lưu công suất một pha không điều khiển 105 2.1 Chỉnh lưu công suất một nửa chu kỳ 105 2.2 Chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ 111 2.3 Chỉnh lưu công suất cầu một pha (B2) 112 3. Chỉnh lưu 3 pha 116 3.1 Đại cương 116 3.2 Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia (M3) 116 3.3 Mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu 121 BÀI 4 CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT CÓ ĐIỀU KHIỂN 129 1. Tổng quan mạch điều khiển chỉnh lưu công suất 129 1.1 Nguyên tắc cơ bản 129 1.2 Điều khiển chuỗi xung 129 1.3 Điều khiển góc pha 130 2. Mạch chỉnh lưu công suất một pha có điều khiển 131 2.2 Mạch chỉnh lưu công suất hai nửa chu kỳ có điều khiển 135 2.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển 136 2.4 Khảo sát mạch biến đổi công suất toàn phần (B2) 137 3. Mạch chỉnh lưu công suất 3 pha có điều khiển 142 3.1 Mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển 142 3.2 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu có điều khiển (B6) 151 4. Thiết kế tính toán lắp mạch điều khiển 162 BÀI 5 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 180 1. Khái niệm 180 2. Điều khiển điện áp xoay chiều một pha 180 2.1 Điều khiển chuỗi xung với tải trở kháng và tải biến áp 180 2.2 Điều khiển góc pha 184 2.3 Mạch điều khiển công suất AC tải điện trở 185 2.4 Điều khiển công suất AC tải điện cảm 188 2.6 Mạch điều khiển kết hợp TCA 780 192 2.7 Điều khiển công suất phản kháng 198 3. Điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha 203 3.1 Đại cương 203 3.2 Khảo sát điện áp 205 3.3 Đường đặc tính điều khiển 208 4. Biến tần 210 4.1 Đại cương 211 4.2 Biến tần gián tiếp 211 4.3 Biến tần trực tiếp 215 4.4 Hướng dẫn sử dụng biến tần của Siemens 217 BÀI 6 NGHỊCH LƯU 255 1. Các khái niệm và phân loại 255
5 2. Mạch nghịch lưu một pha: 255 2.1 Nghịch lưu phụ thuộc: 255 2.2 Nghịch lưu độc lập 257 3. Nghịch lưu 3 pha 261 4. Thực hành lắp bộ nghịch lưu 264 TÀI LIỆU THAM KHẢO 299
6 MÔ ĐUN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã mô đun: MĐ 22 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun  Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí dạy sau khi học xong các môn học cơ bản chuyên môn như linh kiện điện tử, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số, điện tử cơ bản,.  Tính chất của mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề.  Ý nghĩa của mô đun: giúp người học có một cách nhìn nhận mới về phương pháp điều khiển các thiết bị điện không tiếp điểm.  Vai trò của mô đun: giúp người học biết cách sửa chữa được các thiết bị điện tử công nghiệp. Phán đoán được khi có sự cố sảy ra trong mạch điều khiển. Khắc phục và sửa chữa các board điều khiển trong công nghiệp. Mục tiêu của mô đun: + Về kiến thức: - Hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất - Biết được các thông số kỹ thuật của linh kiện - Phân tích được nguyên lý làm việc của mạch điện tử công suất + Về kỹ năng: - Kiểm tra được chất lượng các linh kiện điện tử công suất - Lắp được các mạch điện tử công suất ứng dụng trong công nghiệp - Kiểm tra sửa chữa đạt yêu cầu về thời gian với độ chính xác. - Thay thế các linh kiện, mạch điện tử công suất hư hỏng. + Về thái độ: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
7 III. Nội dung của mô đun Thời gian Số Tên các bài trong mô Lý Thực Kiểm TT đun Tổng số thuyết hành tra 1 Tổng quan về điện tử 4 2 2 công suất 2 Công tắc điện tử (van 16 8 7 1 bán dẫn công suất) 3 Chỉnh lưu công suất 20 6 13 1 không điều khiển 4 Chỉnh lưu công suất có 30 10 18 2 điều khiển 5 Điều chỉnh điện áp xoay 20 6 13 1 chiều 6 Nghịch lưu 30 8 21 1 Cộng 120 40 74 6
8 BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã bài: MĐ22-01 Giới thiệu Bài học này giới thiệu về những khái niệm cơ bản cần thiết nhất trong lĩnh vực điện tử công suất là ứng dụng của công nghệ điện tử trong sản xuất công nghiệp: Hệ điều khiển mạch hở, hệ điều khiển mạch kín hay còn gọi là hệ điều chỉnh Mục tiêu Hiểu được quá trình phát triển, ý nghĩa và phạm vi nghiên cứu ứng dụng của điện tử công suất. Hiểu cấu tạo, đặc tính của hệ điều khiển hở. Hiểu cấu tạo, đặc tính hệ điều chỉnh, cấu trúc các khâu cơ bản trong hệ: Khâu quán tính, vi phân, tích phân Nội dung chính 1. Quá trình phát triển Mục tiêu: + Hiểu được quá trình phát triển của lĩnh vực điện tử công suất + Ứng dụng của lĩnh vực điện tử công suất + Các nghiên cứu về lĩnh vực điện tử công suất 1.1 Quá trình phát triển Điện tử công suất có thể được xếp vào phạm vi các môn thuộc về kỹ thuật năng lượng của ngành kỹ thuật điện nói chung. Tuy nhiên việc nghiên cứu không chỉ dừng lại ở phần công suất mà còn được ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển khác Kể từ khi hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN được công bố bởi Shockley vào năm 1949 thì ứng dụng của chất bán dẫn càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật điện và từ đó phát triển thành ngành điện tử công suất chuyên nghiên cứu về khả năng ứng dụng của chất bán dẫn trong lĩnh vực năng lượng Với sự thành công trong việc truyền tải dòng điện 3 pha vào năm 1891, dòng điện một chiều được thay thế bởi dòng điện xoay chiều trong việc sản xuất điện năng, do đó để cung cấp cho các tải một chiều cần thiết phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều thành một chiều, yêu cầu này có thể được thực hiện bằng hệ thống máy phát - động cơ như ở hình 1.1. Hiện nay phương pháp này chỉ còn áp dụng trong kỹ thuật hàn điện
9 Hình 1.1 Nguyên lý hệ biến đổi quay Thay thế cho hệ thống máy điện quay nói trên là việc ứng dụng đèn hơi thủy ngân để nắn điện kéo dài trong vòng 50 năm và sau đó chấm dứt bởi sự ra đời của thyristor. Điện tử công suất nghiên cứu về các phương pháp biến đổi dòng điện và cả các yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển, trong đó chủ yếu là kỹ thuật đóng/ngắt trong mạch điện một chiều và xoay chiều, điều khiển dòng một chiều, xoay chiều, các hệ thống chỉnh lưu, nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp và tần số của nguồn năng lượng ban đầu sang các giá trị khác theo yêu cầu (hình 1.2) Ưu điểm của các mạch biến đổi điện tử so với các phương pháp biến đổi khác được liệt kê ra như sau: Hình 1.2 Dòng năng lượng trong hệ biến đổi tinh. Q: Nguồn ; V: Tải
10 • Hiệu suất làm việc cao . Kích thước nhỏ gọn . Có tính kinh tế cao .Vận hành và bảo trì dễ dàng . Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm nhờ các linh kiện đều được bọc trong vỏ kín . Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp .Dễ dự phòng, thay thế . Tuổi thọ cao . Không có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ .Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau. . Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động . Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số ít thay đổi theo nhiệt độ . Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm 2. Nguyên tắc biến đổi tĩnh Mục tiêu + Biết được quy tắc biến đổi năng lượng: AC-DC,DC-DC, AC-AC + Hiểu được tác dụng của một số các loại tải 2.1 Sơ đồ khối Trong lĩnh vực điện tử công suất, để biểu diển các khối chức năng ngườii ta dùng các ký hiệu sơ đồ khối, điện năng truyền từ nguồn (có chỉ số 1) đến tải (có chỉ số 2) a. Khối chỉnh lưu Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu
11 Nhiệm vụ của mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều (hình 1.3) b. Khối nghịch lưu Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều thành năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha (hình 1.4) Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ nghịch lưu c. Các hệ biến đổi Các mạch biến đổi nhằm thay đổi: Dòng xoay chiều có điện áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác (hình 1.5) Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ biến đổi Dòng một chiều có điện áp xác định sang dòng một chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC)
12 Mạch biến đổi thường là sự kết hợp từ mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu. Do đó, lại được chia làm hai loại: Biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian 2.2 Các loại tải Tính chất của tải có ảnh hưởng rất quan trọng đến chế độ làm việc của các mạch đổi điện, người ta chia tải thành các loại như sau: 2.2.1 Tải thụ động Tải thuần trở chỉ bao gồm các điện trở thuần, đây là loại tải đơn giản nhất, dòng điện qua tải và điện áp rơi trên tải cùng pha với nhau. Loại này được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực chiếu sáng và trong các lò nung. Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ năng lượng, tính chất này được thể hiện ở hiện tượng san bằng thành phần gợn sóng có trong điện áp một chiều ở ngõ ra của mạch nắn điện và xung điện áp cao xuất hiện tại thời điểm cắt tải Các ứng dụng quan trọng của loại tải này là: Các cuộn kích từ trong máy điện (tạo ra từ trường), trong các thiết bị nung cảm ứng và các lò tôi cao tần. Trong các trường hợp này điện cảm thường được mắc song song với điện dung để tạo thành một khung cộng hưởng song song 2.2.2 Tải tích cực Các loại tải này thường có kèm theo một nguồn điện áp (hình 1.6) như các van chỉnh lưu ở chế độ phân cực nghịch. Ví dụ: Quá trình nạp điện bình ắc quy và sức phản điện của động cơ điện Hình 1.6 Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện 2.3 Các van biến đổi Các van điện là những phần tử chỉ cho dòng điện chảy qua theo một chiều nhất định. Trong lĩnh vực điện tử công suất đó chính là các diode bán dẫn và thyristor kể cả những transistor công suất 2.3.1 Van không điều khiển được (diode)
13 Một diode lý tưởng chỉ cho dòng điện chạy qua nó khi điện áp anode dương hơn cathode, điện áp ngõ ra của diode chỉ phụ thuộc theo điện áp ngõ vào của diode đó 2.3.2 Van điều khiển được (thyristor) Môt chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng vẫn không dẫn điện mặc dù giữa anode và cathode được phân cực thuận (anode dương hơn cathode). Điều kiện để các van này dẫn điện là đồng thời với chế độ phân cực thuận phải có thêm xung kích tại cực cổng (UAK dương và UGK dương). Điện áp ngõ ra không những phụ thuộc theo điện áp vào mà còn phụ thuộc theo thời điểm xuất hiện xung kích (đặc trưng bởi góc kích α) 3. Cơ bản về điều khiển mạch hở Mục tiêu  Mô tả được các phần tử trong hệ thống điều khiển  Hiểu được nguyên lý của phương pháp điều khiển vô cấp và điều khiển gián đoạn  Biết được các phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển  Giải thích được đáp ứng của hệ thống 3.1 Khái niệm cơ bản Vào thế kỷ trước đây, nhờ ứng dụng của cơ khí hóa vào kỹ thuật mà sự phát triển lúc bấy giờ chủ yếu là hướng về khả năng tự động hóa. Tự động hóa một quá trình có nghĩa là quá trình đó sẽ tự thực hiện theo một chương trình đặt sẳn nào đó nều hội đủ một số điều kiện cho trước không cần sự tham gia của con người. Ưu điểm của kỹ thuật tự động hóa là độ an toàn, độ chính xác và tính kinh tế rất cao. Kỹ thuật tự động hóa được phân thành hai chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điều chỉnh. Tuy nhiên, trong thực tế cũng thường gặp trường hợp kết hợp cả hai. Ví dụ: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cầu chỉnh lưu có điều khiển. Từ sự mô tả các van chỉnh lưu ở phần trên có xử dụng khái niệm van có điều khiển. Các thyristor được điều khiển bằng cách dịch chuyển pha của xung kích và dẫn đến là điện áp ra cũng như công suất rơi trên tải cũng thay đổi theo. Thuật ngữ ‘điều khiển’ cũng đã nói lên một quá trình mà trong đó một hoặc nhiều đại lượng vào của hệ thống có ảnh hưỡng đến các đại lượng ra của hệ thống đó. Khi các đại lượng ra không được hồi tiếp trở lại ngõ vào, người ta gọi là quá trình hở, hướng tác động của quá trình là cố định và được biểu diển bằng các mũi tên như trong hình 1.7
14 Trong thực tế, các khái niệm và tên gọi trong kỹ thuật điều khiển được định nghĩa và xử dụng theo tiêu chuẩn DIN 19226 như sau: Đại lượng ra Xout: là một đại lượng vật lý của hệ thống, đại lượng này bị ảnh hưởng theo một quy luật điều khiển nhất định Đối tượng điều khiển: là một khâu trong quá trình điều khiển, là nơi xuất phát đại lượng ra, trong hệ thống truyền động điều chỉnh bằng thyristor: Động cơ và thyristor là đối tượng điều khiển, tốc độ và momen quay là các đại lượng ra. Phần tử chấp hành là một bộ phận của đối tượng điều khiển tác động trực tiếp đến năng lượng hoặc khối lượng cần điều khiển, có loại phần tử tác động gián đoạn như: rờ le, công tắc tơ và cũng có loại tác động liên tục như: Con trượt, van tiết lưu, transistor và mạch nắn điện có điện áp ra thay đổi được Tín hiệu điều khiển y: là tín hiệu tác động vào phần tử chấp hành, đây chính là tín hiệu ra của phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển, cấu trúc của phần tử điều khiển phụ thuộc theo đại lượng vào. Đại lượng vào w: được đưa từ ngoài vào hệ thống, độc lập với quá trình điều khiển, giữa đại lượng vào với đại lượng ra tồn tại một quan hệ xác định Nhiễu z : có nguồn gốc từ nhiều nguyên nhân khác nhau, có thể tạo ra những tác động ngoài ý muốn đến kết quả điều khiển Hình 1.7 Định nghĩa hệ điều khiển hở Hình 1.8 Sơ đồ khối một hệ điều khiển hở
15 Ví du 1: Hình 1.9 mô tả quá trình điều khiển lưu lượng nước chảy qua một vòi nước Hình 1.9 Minh họa một hệ điều khiển hở Kết quả so sánh có thể trình bày như sau: Đại lượng ra (4) - Lưu lượng nước Đối tượng điều khiển (3) - Ống dẫn của vòi nước Phần tử chấp hành (1) - Van cao su Tín hiệu điều khiển - Độ mở của van Phần tử điều khiển (2) - Tay vặn Đại lượng vào - Góc xoay của tay vặn Nhiễu (5) - Sự thay đổi áp lực nước Ví dụ 2: Một động cơ một chiều được thay đổi tốc độ bởi mạch nắn điện cầu có điều khiển (SRA) (hình 1.10) điện áp vào là 3 pha Đại lượng ra - Tốc độ động cơ Đối tượng điều khiển - Mạch chỉnh lưu và động cơ Phần tử chấp hành - Thyristor Tín hiệu điều khiển - Góc kích Phần tử điều khiển - Mạch tạo xung kích Đại lượng vào - Điện áp Nhiễu - Biến thiên của tải và điện áp nguồn
16 Hình 1.10 Điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ một chiều bằng mạch chỉnh lưu 3 pha thay đổi được điện áp ra Từ hai ví dụ trên cho thấy: Quy luật của nhiễu thường là không biết trước, để loại bỏ những ảnh hưởng không tốt do nhiễu gây ra cho hệ thống, người ta thường xử dụng các điện áp bù đặt ở ngõ vào. Ví dụ trong hệ thống điều khiển lò sưởi, nhiệt độ bên ngoài là nhiễu sẽ được cộng thêm với đại lượng vào W do đó, sẽ tự triệt tiêu được loại nhiễu này 3.2 Các phương pháp điều khiển Dựa trên nguyên lý làm việc người ta chia thành hai phương pháp điều khiển. 1. Điều khiển vô cấp 2. Điều khiển gián đoạn Dựa trên trình tự thực hiện người ta chia thành: Điều khiển theo chương trình, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo tuyến, điều khiển theo quá trình và điều khiển lập trình. 3.2.1 Điều khiển vô cấp Trong phương pháp này giữa các đại lượng vào và đại lượng ra luôn tồn tại một quan hệ đơn trị ở trạng thái ổn định đến nổi nhiễu cũng không làm xáo trộn hoạt động của hệ thống. Đại lượng vào w có thể được chỉnh
17 định hoặc thay đổi từ 0 đến Wmax bởi công nhân vận hành máy. Mạch điều chỉnh vô cấp độ sáng của đèn là một ví dụ 3.2.2 Điều khiển gián đoạn Hệ thống điều khiển trong trường hợp này làm việc ở chế độ đóng- ngắt. Trước tiên, đại lượng vào có giá trị tương ứng với mức đóng (ON) để tác động phần tử chấp hành. Hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái ngắt ví dụ khi nhấn nút STOP hoặc một tiếp điểm hành trình nào đó. Phương pháp này được dùng rất phổ biến trong các hệ thống có phần tử chấp hành loại điện cơ như: Rơ le, công tắc tơ Hình 1.11. Cho thấy một ví dụ mạch chuyển tốc độ nhảy cấp động cơ 3 pha không đồng bộ dùng công tắc tơ. Hình 1.11 Điều khiển tốc độ nhảy cấp động cơ 3 pha hai dây quấn Nguyên lý hoạt động : Nút nhấn S2 hoặc S3 tác động đến các cuộn K1 hoặc K2 tùy thuộc vào chế độ làm việc của động cơ ở tốc độ thấp hoặc cao. Mạch chỉ có thể chuyển sang tốc độ khác sau khi tác động S1 (OFF). Mạch điều khiển đảo chiều cũng tương ứng như trên, chiều quay của động cơ 3 pha được điều khiển bằng cách đảo chiều từ trường Trong kỹ thuật lắp đặt điện gia dụng, phương pháp điều khiển gián đoạn được thực hiện bởi các rờ le dòng, mạch cảm biến - tiếp điểm và
18 cảm biến - không tiếp điểm (bán dẫn), loại này được trình bày ở hình 1.12 Nguyên lý hoạt động : Các phần tử R1, R2, V3 và C3 tạo nguồn nuôi cho Flip-Flop và các transistor trong mạch cảm biến và cảm biến, Flip-Flop đóng vai trò một rờ le điện tử. Khi có tín hiệu tại ngõ vào E (do tiếp xúc vào bản cực cảm biến B). Transistor S tắt, triac được kích trong khoảng thời gian từng bán kỳ của điện áp nguồn và lúc này có dòng qua tải. Xung vào tiếp theo làm transistor dẫn, tụ C2 bị ngắn mạch và triac chuyển sang trạng thái tắt, dòng qua tải bằng 0. Một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều khiển gián đoạn là ''chế độ tiếp xúc'', ở chế độ này trạng thái ON chỉ có hiệu lực khi một nút nhấn hoặc một tiếp điểm nhiều vị trí được duy trì trạng thái đóng, loại này thường gặp ở các cơ cấu nâng, mỗi một chuyển động như : Tới, lui, lên, xuống cần một nút nhấn riêng, trong ứng dụng này vị trí của cần trục là đại lượng ra Xout N RL F Hình 1.12 Hệ điều khiển gián đoạn dùng cảm biến
19 3.2.3 Điều khiển theo chương trình Điều khiển theo chương trình là sự mở rộng của hai phương pháp điều khiển vô cấp và điều khiển gián đoạn, trong phương pháp này xử dụng các ''cảm biến chương trình'' và lại được chia làm hai loại: Điều khiển tuần tự theo thời gian và điều khiển theo tuyến. Một ví dụ điều khiển tuần tự theo thời gian đơn giản nhất là quá trình điều khiển độ sáng bằng thiết bị định thời. Các cảm biến chương trình thường là các đĩa lệch tâm, cam chuyển mạch, băng đục lỗ và các loại băng từ. Phương pháp điều khiển theo tuyến thường thấy ở các máy tự động gia công kim loại, việc điều khiển tốc độ quay và tốc độ ăn dao phụ thuộc vào vị trí của công cụ. trong lĩnh vực vận tải tốc độ vận chuyển được điều khiển phù hợp theo từng tuyến (tuyến truyền vận, tuyến hãm, vị trí dừng). Mức phát triển cao hơn của phương pháp điều khiển theo chương trình là phương pháp điều khiển tuần tự theo quá trình (hình 1.13). Trong đó các thao tác hoặc các tiến trình vật lý được thực hiện theo một thứ tự đã được lập trình tùy thuộc vào các trạng thái đạt được của quá trình điều khiển. Chương trình có thể được cài đặt cố định hoặc được đọc ra từ các bìa đục lỗ , băng đục lỗ , băng từ hoặc một thiết bị lưu trữ khác Hình 1.13 Đồ thị tín hiệu của phương pháp điều khiển tuần tự Một ví dụ đơn giản cho phương pháp này là mạch tự động đổi nối sao-tam giác, điều kiện để mạch được phép chuyển đổi cách nối là phải đạt được thời gian khởi động tối thiểu hoặc tốc độ tối thiểu của động cơ không đồng bộ 3 pha 3.2.4 Điều khiển lập trình
20 Việc nâng cao hiệu suất tự động hóa là một yêu cầu cần thiết của kỹ thuật điều khiển. Trong phương pháp điều khiển dùng rờ le và các linh kiện điện tử, quan hệ giữa các ngõ vào với các ngõ ra được mô tả bởi sơ đồ mạch điều khiển, các phần tử trong mạch được hàn nối với nhau theo sơ đồ này. Người ta gọi các hệ thống kể trên làm việc theo một ''chương trình cứng'', sơ đồ mạch điều khiển có thể được mô tả đầy đủ bằng cách liệt kê ra các quan hệ có trong đó. Ví dụ mô tả mạch điện vẽ ở hình 1.14. L1 S1 a b S2 c S3 y K N Hình 1.14 Điều khiển dùng rờ le Khi a hoặc b đóng và c đang ở vị trí đóng thì rờ le y sẽ có điện, sự mô tả này được biểu diển bởi phương trình y = (a+b).c Trong nhiều trường hợp, phương pháp như trên khó thực hiện và không kinh tế. Để khắc phục nhiều nhà sản xuất đã đưa ra phương pháp điều khiển có khả năng lập trình. Trong phương pháp này yêu cầu điều khiển không phụ thuộc hoàn toàn vào một mạch điện đã được lắp ráp sẳn mà chủ yếu là vào một chương trình (phần mềm) gồm các chỉ thị điều khiển vi xử lý được sắp xếp phù hợp với thuật giải để giải quyết yêu cầu điều khiển đề ra. Ví dụ: Hệ thống điều khiển máy cán, máy công cụ và các máy gia công nhựa Cấu tạo cơ bản của hệ thống điều khiển lập trình được mô tả trong sơ đồ vẻ ở hình 1.15 Các lệnh thực hiện chương trình được chứa trong bộ nhớ chương trình, vi xử lý sẽ thi hành theo phần mả công tác của lệnh, các lệnh bắt đầu bởi các quan hệ logic và kết thúc bởi các thao tác đóng/ngắt mạch. Khối tạo xung đồng hồ liên kết với bộ đếm địa chỉ để đọc mã lệnh, các khối vào và ra có nhiệm vụ giao tiếp với các thiết bị ngoại vi của hệ thống điều khiển lập trình
21 Hình 1.15 Cấu tạo cơ bản hệ điều khiển lập trình 3.3 Phần tử chấp hành Các phần tử thừa hành trong một hệ tự động điều khiển không chỉ là các thiết bị điện mà còn bao gồm cả các van, con trượt và bơm định lương. Bảng vẻ ở hình 1.17 liệt kê các phần tử thừa hành quan trọng trong kỹ thuật điện 4. Điều khiển mạch kín Mục tiêu:  Biết được các thành phần chính trong cấu trúc điều khiển mạch kín  Nêu được một số các phần tử chấp hành quan trọng  Xây dựng được sơ đồ hệ thống điều chỉnh 4.1 Khái niệm Như mô hình trình bày ở trên. Trong đó con người đóng vai trò khâu điều chỉnh - đã cho thấy tất cả đặc tính của hệ thống điều chỉnh bằng tay Nói chung, quá trình điều chỉnh là một quá trình tự động, qua đó một đại lượng vật lý ví dụ Nhiệt độ của lò nung là đại lượng mẫu x luôn được ghi nhận và xử lý liên tục bằng cách so sánh giữa đại lượng mẫu với đại lượng chuẩn w (giá trị đặt) sự sai biệt nếu có sẽ làm thay đổi tín hiệu điều khiển sao cho sự sai biệt này giảm đến mức tối thiểu. Đại lượng mẫu là yếu tố cần thiết cho khâu so sánh của quá trình điều chỉnh khép kín hay còn gọi là "vòng điều chỉnh" (hình 1.18).
22 Hình 1.18 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh Trong vòng điều chỉnh được được phân thành: Đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh, khâu điều chỉnh bao gồm cả khâu so sánh có tín hiệu ra phụ thuộc vào sự sai biệt giữa đại lượng mẫu và đại lượng chuẩn, tín hiệu này sẽ điều chỉnh lại đại lượng ra theo đúng yêu cầu. Mục đích cuối cùng của việc điều chỉnh là đạt được giá trị đặt chính là đại lượng vào w trong kỹ thuật điều khiển, dựa vào đại lượng này người ta chia ra các loại: Điều chỉnh theo giá trị cố định, điều chỉnh tùy động và điều chỉnh theo trình tự thời gian. Trong phương pháp điều chỉnh theo giá trị cố định, giá trị đặt là một hằng số trong suốt quá trình hoạt động. Trong phương pháp điều chỉnh tùy động, giá trị thực phụ thuộc theo giá trị đặt và giá trị này lại được thay đổi trong quá trình hoạt động. Ví dụ: Máy cắt bằng tia lửa điện, vị trí cắt được xác định bằng máy tính, tại mỗi vị trí có một giá trị đặt tương ứng. Trong phương pháp điều chỉnh theo trình tự thời gian, giá trị đặt phụ thuộc theo một trình tự thời gian cho trước. Ví dụ: Hệ thống điều chỉnh giảm dần nhiệt độ trong phòng sau mỗi giờ đồng hồ. Khác với trong kỹ thuật điều khiển, tín hiệu điều khiển trong kỹ thuật điều chỉnh không bị ảnh hưởng theo giá trị đặt mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu sai biệt Xd.
23 Đây là tín hiệu ra của khâu so sánh với hai tín hiệu vào là giá trị đặt w và giá trị mẫu x, sau đó tín hiệu điều khiển sẽ tiếp tục tác động đến phần tử chấp hành Các khái niệm thường dùng trong kỹ thuật điều chỉnh là: Tín hiệu sai lệch Xd = w - x Độ lệch điều chỉnh Xw = x – w = - Xd Nhiễu là những yếu tố gây ra các ảnh hưởng không mong muốn cho đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh, nhiễu tạo ra một thay đổi nhất định trong đại lượng mẫu x mặc dù giá trị đặt không đổi và trong đại lượng ra Xout mặc dù tín hiệu điều khiển cố định. Hình 1.19 trình bày một vòng điều chỉnh tạo nên từ một hệ điều khiển hở có hồi tiếp Hình 1.19 Điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều 4.2 Hoạt động của vòng điều chỉnh Hình 1.18.và 1.19 cho thấy cấu tạo của một vòng điều chỉnh, trong đó chủ yếu là đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh Giống như trong kỹ thuật điều khiển, đại lượng ra được lấy từ đối tượng điều chỉnh, đặc tính vật lý phụ thuộc vào cấu tạo của chúng. Trong hình 1.19 đối tượng điều chỉnh gồm một mạch nắn điện có điều khiển dùng làm nguồn cấp điện cho động cơ một chiều. Tốc độ n của động cơ là đại lượng mẫu được một máy phát tốc biến đổi từ tốc độ sang điện áp, khâu này được gọi là khâu biến đổi (cảm biến đo lường) giá trị đo. Trong khâu điều chỉnh gồm một khối so sánh giữa hai giá trị: Mẫu và Đặt, ngõ ra của khối so sánh xuất hiện tín hiệu sai biệt và được dùng để điều chỉnh lại góc kích của mạch
24 nắn điện có điều khiển nhằm làm cho tốc độ động cơ đạt được giá trị mong muốn. Tốc độ sai biệt luôn tồn tại trong vňng điều chỉnh do tác động của nhiễu hoặc có sự thay đổi của đại lượng đặt. Trong hệ thống vẻ ở hình 1.19 Nhiễu có thể là sự biến thiên của tải hoặc của điện áp nguồn cung cấp. Để loại bỏ ảnh hưỡng của nhiễu cần thiết phải thêm vào hệ thống một khâu điều chỉnh có đặc tính được chọn thích hợp. Tuy nhiên, để có thể chọn được khâu điều chỉnh có đặc tính hợp lý nhất thì phải nắm rõ tính chất của đối tượng điều chỉnh Điểm khác nhau giữa kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điều chỉnh là việc hồi tiếp tín hiệu ra trở lại ngõ vào của hệ thống. Trên đường hồi tiếp bao gồm một khâu điều chỉnh và một khâu so sánh, trong sơ đồ khối cho thấy tín hiệu mẫu x có thêm dấu trừ có nghĩa là tín hiệu hồi tiếp bị đảo pha (hồi tiếp âm), điều này là cần thiết để hệ thống được ổn định: Khi tín hiệu ra xout tăng lên thì tín hiệu điều chỉnh y sẽ giảm xuống và ngược lại. Hình 1.20 trình bày nguyên tắc của hai vòng điều chỉnh. Sơ đồ ở hình a tương tự như một mạch khuếch đại đảo trong đó đối tượng điều chỉnh là một khuếch đại thuật toán và khâu điều chỉnh là các điện trở hồi tiếp âm, tín hiệu hồi tiếp được đưa vào ngõ vào đảo của Khuếch đại thuật toán nhằm mục đích đảo pha. Thông thường khâu so sánh được đặt trước khâu điều chỉnh (hình 1.20b) và hinh 1.19 là một mạch điển hình của loại này. Một vòng điều chỉnh khép kín có một đáp ứng nhất định đối với sự biến thiên của đại lượng chỉnh định và cả của nhiễu. Do đó, các vòng điều chỉnh được chia thành hai loại: Vòng điều chỉnh đáp ứng với nhiễu và vòng điều chỉnh đáp ứng với đại lượng chỉnh định. Có nhiều phương pháp xác định đặc tính của đối tượng điều chỉnh, của khâu điều chỉnh và của vòng điều chỉnh. Trong phương pháp tần số người ta đặt lên ngõ vào của hệ hống một tín hiệu hình sin có biên độ cố định nhưng tần số thay đổi, sau đó đo biên độ và pha của tín hiệu ra tương ứng với các tần số khác nhau của tín hiệu vào. Phương pháp thứ hai là phương pháp xung được dùng để khảo sát đáp ứng của hệ thống ứng với một tín hiệu đột biến ở ngõ vào, dạng tín hiệu ra được gọi là đáp ứng xung của hệ thống . Trong hệ thống ở hình 1.21 khi ngõ vào xuất hiện một đột biến điện áp thì phải sau một khoảng thời gian nhất định điẹn áp ra mới đạt được giá trị xác lập, tốc độ đáp ứng của hệ thống được xác định dựa trên thời gian chuyển tiếp Ttr là khoảng thời gian cần thiết để điện áp ra tăng đến giá trị xác lập
25 Xout với một sai số là ΔXout, sai số này phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống. Trong trạng thái chuyển tiếp, tất cả các quá trình điều hòa sẽ giảm đi và tiến đến chế độ xác lập. Nếu đặt cùng một đột biến điện áp như thế vào đối tượng điều chỉnh có đặc tính khác, đáp ứng của hệ có thể giống như ở hình 1.22. Hình 1.20 Sơ đồ khối các vòng điều chỉnh Trong trường hợp này tốc độ đáp ứng của hệ thống nhanh hơn nhưng tín hiệu ra sẽ có hiện tượng vượt lố, do đó phát sinh thêm một tiêu chuẩn để đánh giá hệ thống đó là độ vượt lố O có giá trị được tính theo công thức. Hình 1.21 Đáp ứng của đối tượng điều chỉnh với điện áp nấc ngõ vào Hình 1.22 Đáp ứng của đối tượng điều chỉnh với điện áp nấc ngõ vào
26 Trong thực tế, cả hai thông số Ttr và O càng nhỏ càng tốt, nhưng thường không đạt được cả hai mà phải chọn một biện pháp dung hòa giữa hai yêu cầu trên. Hình 1.23 mô tả hai đặc tính trên của hệ thống điều chỉnh. Đáp ứng đối với nhiễu và đối với đại lượng đặt của một vòng điều chỉnh được xác định dựa vào hai phương pháp vừa trình bày ở trên. 4.2.1 Đáp ứng nhiễu trong phương pháp giá trị cố định Để khảo sát đáp ứng nhiễu của một vòng điều chỉnh, trước tiên giữ cho đại lượng đặt w không đổi và sau đó khảo sát biến thiên của tín hiệu ra khi có tác động của nhiễu. Hình 1.24 trình bày đồ thị thời gian của các đại lượng này. Lấy ví dụ ở hình 1.19, nhiễu là sự biến thiên của tải đặt lên động cơ. Đầu tiên đặt lên động cơ tải cố định có trị số z0 (hình 1.24) và thay đổi đại lượng đặt w0 tốc độ tương ứng lúc này là n0 xout0 Tại thời điểm t1, thay đổi tải từ giá trị z0 lên z1 (lượng biến thiên là Δz0) tốc độ động cơ cũng sẽ thay đổi theo nhiều hay ít là phụ thuộc vào chất lượng của vòng điều chỉnh, khi hệ thống đã ở chế độ xác lập, tốc độ lúc này là n1 = xout1. Sự sai biệt giữa tốc độ trước và sau tác động của nhiễu còn gọi là độ lệch xác lập là: Hình 1.23 Trình bày 2 thông số đặc tính trong phương pháp điện áp nấc
27 Và được gọi là độ lệch điều chỉnh. Trong đó chỉ số ∞ có nghĩa là trị số xác lập mới chỉ đạt được sau một khoảng thời gian vô cùng lớn. Một hệ thống điều chỉnh được gọi là tốt khi ΔXout ∞ = 0, điều này sẽ được giải thích ở đề mục 4.4.2 4.2.2 Đáp ứng của hệ tùy động với giá trị đặt Để khảo sát đáp ứng này, giá trị của nhiếu được giữ cố định và khảo sát tín hiệu ra tương ứng với sự thay đổi của đại lượng đặt từ w0 đến w1 Hình 1.25 trình bày đồ thị thời gian của các đại lượng nêu trên Lấy ví dụ điều khiển động cơ một chiều ở hình 1.19 để dễ minh họa đáp ứng này của hệ thống. Giả sử tải và điện áp nguồn (nguyên nhân gây nhiễu) được giữ ổn định, thay đổi đại lượng đặt w từ w0 đến w1 tốc độ động cơ cũng sẽ thay đổi từ n0 đến n1 sau một thời gian trì hoãn do quán tính của hệ thống, một hệ thống điều chỉnh tốt khi giảm được thời gian trì hoãn và độ vượt lố của tín hiệu ra. 4.3 Đặc tính các khâu điều chỉnh cơ bản Như đã đề cập trong phần 4.2. Một khâu điều chỉnh phải điều chỉnh một đối tượng. Do đặc tính các đối tượng không giống nhau nên cũng phải cần có các kiểu điều chỉnh khác nhau. Đặc tính của các khâu và của các đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi đáp ứng của chúng ứng với tín hiệu đơn vị (là tín hiệu có giá trị từ 0 lên 1)sự thay đổi điện áp ra khi có tác động của điện áp đơn vị gọi là hàm truyền. Trong hình 1.26a và hình 1.26b trình bày các kiểu quan trọng nhất của các khâu điều chỉnh cơ bản kèm theo hàm truyền, các thông số đặc trưng và các ví dụ điển hình. Để xác định hàm truyền, trước tiên phải đặt hệ thống ở trạng thái tĩnh có nghĩa là năng lượng còn trữ trong đó phải được phóng hết
28 Hình 2.16a Các khâu điều chỉnh cơ bản: Đặc tính và ví dụ
30 Hình 2.16a Các khâu điều chỉnh cơ bản : Đặc tính và ví dụ
31 Hình 1.26b Các khâu điều khiển cơ bản : Đặc tính và ví dụ
32 Hình 1.26b Các khâu điều khiển cơ bản : Đặc tính và ví dụ
33 Hệ thống với hai phần tử tích trữ năng lượng Hình 1.27 Hàm truyền của hệ PT2 Một hệ thống mà hàm truyền của nó tạo nên một dao động thì trong nó luôn tồn tại 2 phần tử tích trữ năng lượng có đặc tính khác nhau và năng lượng có thể trao đổi qua lại giữa chúng với nhau. Ví dụ trong khâu quán tính bậc hai ở hình 1.26 có một mạch dao động LC và trong trường hợp truyền động bằng động cơ các phần tử tích trữ năng lượng là khối lượng quay và thiết bị giảm chấn, năng lượng trao đổi giũa chúng với nhau thông qua các liên kết cơ học. Những hệ thống như thế trong kỹ thuật điều chỉnh được gọi là hệ PT2 Các hệ PT2 rất thường gặp trên thực tế. Hình 1.27 trình bày các dạng hàm truyền khác nhau. Các hàm ở hình 1.27a, 1.27b và 1.27c có một điểm giống nhau là sau một khoảng thời gian chuyển tiếp ngắn, ngõ ra sẽ đạt giá trị xác lập xout ∞ và hệ thống ổn định tại vị trí này.
34 Hình 1.27a trình bày một trường hợp giới hạn không tuần hoàn, hàm truyền là thẳng và chưa gây ra hiện tượng vượt lố. Hình 1.27b và 1.27c là các dao động tắt dần theo quy luật hàm mũ 4.4 Khâu điều chỉnh dùng op-amp Khuếch đại thuật toán thường được dùng trong các khâu điều chỉnh điện tử, KĐTT có thể thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau nhờ vào các linh kiện ráp thêm bên ngoài. Hình 1.28 cho thấy một khâu điều chỉnh phức tạp dùng KĐTT. Hình 1.28 Vòng điều chỉnh tốc độ 4.4.1 Khâu tỉ lệ dùng op-amp Đối tượng điều chỉnh bao gồm một động cơ, khối biến đổi công suất với mạch kích, điện áp điều khiển được tạo ra từ khâu điều chỉnh chính là tín hiệu vào của đối tượng điều chỉnh. Cảm biến đo lường tạo ra một điện áp tỉ lệ với tốc độ quay thực của động cơ. Mạch điện trong hình 1.29 là sơ đồ của khâu điều chỉnh và mạch cộng trong hình 1.28. Trong cả hai trường hợp, mạch so sánh - mạch trừ - bảo đảm sao cho tín hiệu sai biệt giữa giá trị thực x và giá trị đặt w luôn được tạo ra. Tín hiệu này hoặc độ lệch điều chỉnh sau đó được đưa vào mạch khuếch đại đảo . Trong phần 4.2 đã đè cập rằng: Để hệ thống được ổn định trong vùng làm việc thì đại lượng mẫu x phải đảo pha. Trong hình 1.29 đại lượng x được đưa vào ngõ không đảo của mạch so sánh và sau đó được đảo pha ở phần mạch khuếch đại, còn đối với đại lượng đặt thì bị đảo pha hai lần nên cực tính vẫn không thay đổi.
35 Hình 1.29 Khâu P dùng 2 op-amp Hệ số tỉ lệ A P của mạch có thể chỉnh được từ A P = 1 đến AP = 100 với biến trở đặt ở nhánh hồi tiếp của mạch khuếch đại đảo . Bây giờ nếu thay đổi biến trở điều chỉnh sao cho đại lượng đặt tăng lên thì điện áp ra y của khâu điều chỉnh cũng sẽ tăng theo tác động đến phần tử chấp hành trong đối tượng điều chỉnh để tạo ra một điện áp lớn hơn cung cấp cho động cơ. Do đó, tốc độ hệ thống cũng sẽ tăng lên Quá trình diễn tiến ngược lại khi giảm tải động cơ và khâu điều chỉnh sẽ làm cho tốc độ đã tăng giảm xuống trở lại. Khâu tỉ lệ P có thể bị sai lệch bởi nhiễu, độ lệch càng nhỏ hệ số khuếch đại khâu điều chỉnh càng lớn, độ lệch điều chỉnh cũng làm cho tốc độ ban đầu của động cơ tương ứng với trị số đặt không còn đúng. Đây là khuyết điểm của khâu tỉ lệ ngược lại với ưu điểm tác động rất nhanh của mạch. Nếu cực tính của trị số thực tế và trị số đặt được chọn phù hợp thì có thể thực hiện khâu điều chỉnh chỉ dùng duy nhất một op-amp (hình 1.30) Hình 1.30 Khâu P dùng 1 op-amp
36 Khâu điều chỉnh ở hình 1.29 và 1.30 có cùng đặc tính, để làm rõ độ lệch điều chỉnh tồn tại trong hệ thống, phần dưới đây sẽ trình bày hai phương pháp tính toán Ví dụ: Hình 1.31 mô tả một động cơ làm việc tại tốc độ định mức với điện áp nguồn nuôi là Uout = 10V, một máy phát tốc liên kết với trục động cơ phát ra điện áp tỉ lệ với tốc độ quay, điện áp này được điều chỉnh sao cho tại tốc độ định mức Uactual = Uout = 10V. Giá trị đặt và thực tế được liên tục so sánh bởi op-amp có chức năng là khâu tỉ lệ và điện áp ra Uout sẽ được điều chỉnh trở lại khi xuất hiện nhiễu. Hình 1.31 Động cơ DC với khâu tỉ lệ
37 Do đó, tại AP = 2 phải chỉnh Us-p = -W = -15V, để tốc độ động cơ đặt giá trị định mức, độ lệch điều chỉnh được tính như sau: Do hệ số khuếch đại của khâu tỉ lệ tăng nên độ lêch điều chỉnh XW = - 5V ở trường hợp a giảm xuống XW = -1V. Khi tăng hệ số khuếh đại quá lớn sẽ làm hệ thống không ổn định, trong thực tế không thể giảm độ lệch điều chỉnh xuống bằng 0 4.4.2 Khâu tích phân dùng op-amp Độ lệch điều chỉnh tồn tại trong khâu tỉ lệ được hạn chế bằng một khâu tích phân. Hình 1.32 trình bày mạch điện khâu tích phân dùng op-amp Hình 1.32 Khâu tích phân dùng op-amp
38 Ở chế độ không tải, tốc độ yêu cầu của động cơ được xác định bởi tín hiệu vào W, khi tổng hai giá trị UX (thực tế) với UW (giá trị đặt) bằng 0 thì khâu tích phân sẽ không còn thay đổi điện áp ra của nó (hình 1.32). Bây giờ nếu có nhiễu V.D: tải tăng lên dẫn đến tốc độ động cơ giảm xuống, khâu điều chỉnh sẽ tăng tín hiệu điều chỉnh cho đến khi hệ thống trở về tốc độ ban đầu và tín hiệu tổng ở ngõ vào của khâu tích phân lại trở về 0. Trong khâu tích phân không tồn tại độ lệch đều chỉnh như trong khâu tỉ lệ tuy nhiên tốc độ tác động chậm, hằng số thời gian của mạch chọn càng lớn thì quá trình điều chỉnh càng kéo dài. Đặc tính của khâu tích phân được chỉ rõ qua ví dụ tính toán sau đây. Hình 1.33 Điện áp và dòng điện của khâu tích phân dùng op-amp Trong hình 1.33 cho thấy tất cả các điện áp và dòng điện cần thiết cho việc tính toán, ta có:
39 Hình 1.34 Đồ thị điện áp vào – ra của khâu tích phân Thời gian tích phân vừa tính được Ti = R. C được trình bày ở hình 1.34 Từ phương trình này cũng cho thấy khi Δt = Ti thì ΔUout = Uin, điện áp UA tiếp tục tăng cho đến khi UE = 0 hoặc đến điện áp giới hạn của khâu tích phân. Khi Usoll = Uist điện áp sẽ không còn thay đổi nên đô lệch điều chỉnh XW bằng 0 và điều này cũng cho thấy rằng nếu hai giá trị thực tế và chỉnh định ở trạng thái tĩnh bằng nhau nhưng có dấu ngược nhau thì dòng điện hồi tiếp bằng 0, có nghĩa là tụ vừa nạp vừa xả và điện áp ra là hằng số. Trong hình 1.35 xử dụng động cơ ở hình 1.31. được điều khiển bởi một khâu tích phân dùng op-amp Hình 1.35 Động cơ với khâu tích phân Trong hình 1.36 trình bày biểu đồ thời gian của UA và UE, cũng từ đồ thị này cho thấy điện áp ra không còn thay đổi khi Uin hoặc Xd bằng 0
40 Hình 1.36 Đáp ứng của khâu tích phân điều khiển motor 4.4.3 Khâu tích phân – Tỉ lệ dùng op-amp Các khuyết điểm nêu trên được khắc phục bằng cách kết hợp hai khâu tỉ lệ và tich phân với nhau gọi là khâu tích phân-tỉ lệ. Hình 1.37 trình bày mạch điện loại này dùng op.amp Hình 1.37 Khâu PI dùng op-amp Đặc tính của khâu tích phân-tỉ lệ được giải thích ở hàm truyền trong hình 1.26, tại sườn lên của điện áp đơn vị điện dung xem như ngắn mạch và khâu điều chỉnh có đặc tính của khâu tỉ lệ với hệ số khuếch đại AP, sau đó đặc
41 tính khâu tích phân bắt đầu có tác dụng và điện áp ngõ ra tăng cho đến khi độ lệch điều chỉnh bị san bằng. Do ưu điểm trên cộng với khả năng dễ cân chỉnh nên khâu PI rất thông dụng trong lĩnh vực truyền động điện. 4.4.4 Vòng điều chỉnh phức hợp Trong các thiết bị chỉnh dòng dùng thyristor trên thực tế hầu như luôn xử dụng khâu PI trong mạch điều chỉnh phức hợp, mạch điện thường dùng nhất gồm một mạch điều chỉnh tốc độ kết hợp với mạch điều chỉnh dòng điện. Dòng điện được chỉnh bằng cách thay đổi góc kích và dòng này còn được hồi tiếp trở về để tránh trường hợp khi vượt quá trị số cho phép thì pha của xung kích phải thay đổi nhằm giảm dòng cung cấp động cơ xuống thấp hơn giới hạn cho phép và điều này sẽ hạn chế dòng điện quá cao vào động cơ và thyristor. Mạch chỉnh dòng được đặt trước mạch chỉnh tốc độ, trong đó tốc độ thực tế và tốc độ đặt được so sánh với nhau và tín hiệu ra của nó là giá trị đặt của mạch chỉnh dòng tiếp theo. Tín hiệu điều khiển của phần tử điều khiển có thể được dịch chuyển với tín hiệu ra của khâu chỉnh dòng, một thay đổi về tốc độ sẽ tạo ra đáp ứng ngược lại bằng sự dịch pha xung kích cho đến khi hệ thống trở về tốc độ ban đầu. Thông thường mạch chỉnh tốc độ có hằng số thời gian lớn hơn của mạch chỉnh dòng. Dưới đây là các trị số thông dụng: Hầu hết các mạch chỉnh dòng và tốc độ được cấu tạo từ khâu PI (hình 1.38). Bây giờ nếu ghép nối tiếp hai mạch điều chỉnh với nhau thì phải lưu ý đến cực tính điện áp của từng mạch sao cho phù hợp. Giả sử bắt đầu từ ngõ vào của khối điều khiển xung: Uin của khối điều khiển dương thì động cơ chạy Uin của khối điều khiển âm thì động cơ dừng. Sau đây là các quan hệ nhận được: Khối điều khiển xung Uin dương = Uout- chỉnh dòng Chỉnh dòng (s-p) Ui s-p âm = Uout- chỉnh tốc độ Chỉnh dòng (actual) Ui actual dương Chỉnh tốc độ (s-p) Un s-p dương Chỉnh tốc độ (actual) Un actual âm
42 Hình 1.38 Chỉnh tốc độ với chỉnh dòng Tất cả các điều kiện kể trên phải được thỏa mãn và được áp dụng trong hình 1.38, ngoài ra mạch điều chỉnh còn phải được tối ưu hóa. Hình 1.39 cho thấy đáp ứng của khâu tỉ lệ và tích phân trong cùng một hệ điều chỉnh, đó là quá trình biến thiên của dòng điện và tốc độ sau khi đóng mạch. Tốc độ quay được điều chỉnh bằng biến trở Rs-p, biến trở R1 đặt trị số dòng chỉnh định, biến trở R2 thay đổi hệ số tỉ lệ của mạch điều chỉnh tốc độ. Nếu trong quá trình làm việc giá trị cân chỉnh không tốt thì mạch tích phân có thể bị ảnh hưởng theo sự thay đổi của điện dung. Hình 1.39 Đặc tính cơ bản của tốc độ và dòng điện sau khi đóng mạch hệ truyền động dùng PI
43 4.4.5 Khâu PID dùng op-amp Đối với các loại nhiễu có tốc độ biến thiên nhanh, do mạch tích phân đáp ứng chậm nên mạch tỉ lệ sẽ xuất hiện một lượng sai lệch điều chỉnh nào đó. Trong trường hợp này phải dùng khâu điều chỉnh PID: Mạch vi phân chỉ đáp ứng với các biến thiên của đại lượng vào và mạch điều chỉnh sẽ tác động rất nhanh. Hình 1.40 trình bày mạch điện một khâu PID dùng op-amp Hình 1.40 Khâu PID dùng op-amp Ưu điểm của hệ thống là có thể chỉnh các khâu P, I và D riêng rẻ nhau tránh việc chồng chéo các thông số chỉnh định sao cho phù hợp với yêu cầu điều chỉnh Hình 1.41 giới thiệu khâu PID có các thông số chỉnh được, do đó khâu này có thể kết hợp tối ưu với đối tượng điều chỉnh Hình 1.41 Khâu PID dùng op-amp có thông số chỉnh được
44 Yêu cầu đánh giá Học sinh có khả năng trình bày được • quá trình phát triển lĩnh vực điện tử công suất • Nguyên tắc các bộ biến đổi quay và biến đổi tĩnh • Nguyên lý và các khái niệm trong hệ điều khiển hở : Điều khiển theo thời gian, theo chương trình, điều khiển lập trình • Nguyên lý hệ điều chỉnh • Các khâu cơ bản trong hệ điều chỉnh, các ứng dụng điển hình kết hợp op- amp
45 BÀI 2 CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ (VAN BÁN DẪN ) Mã bài: MĐ22-02 Giới thiệu Bài học này giới thiệu về nguyên lý đóng/cắt mạch điện xoay chiều và một chiều bằng linh kiện bán dẫn công suất : Diode, BJT, VMOSFET, thyristor, ELR phương pháp này đã dần thay thế các thiết bị đóng/căt cơ học do có nhiều ưu điểm, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ và tần suất đóng/cắt cao. Mục tiêu Kiến thức:  Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất theo nội dung đã học.  Hiểu được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử công suất Kỹ năng:  Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật.  Thực hiện bảo vệ quá dòng, quá áp, và quá nhiệt cho linh kiện công suất hoạt động trong thời gian lâu dài. Thái độ:  Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo, an toàn trong học tập 1. Linh kiện điện tử công suất Mục tiêu  Phát biểu được đặc tính, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử công suất theo nội dung đã học.  Kiểm tra chất lượng của linh kiện điện tử công suất đúng yêu cầu kỹ thuật. 1.1 Diode công suất Khác với diode thường, về mặt cấu tạo diode công suất bao gồm 3 vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau gọi là cấu trúc PsN, giữa hai vùng bán dẫn PN là một vùng có mật độ tạp chất rất thấp (vùng S) (hình 2.1) Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN
46 1.1.1 Đặc tuyến V – A Đường đặc tính diode công suất rất gần với đặc tính lý tưởng (hình 2.2), trong đó đoạn đặc tính thuận có độ dốc rất thẳng đứng (hình 2.2b) vì vây, nhiệt độ trên diode xem như không đổi, điện áp thuận trên diode là tổng giữa điện áp ngưỡng U TO không phụ thuộc dòng điện với thành phần điện áp tỉ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode. Giả sử nhiệt độ là hằng số, điện áp thuận trên diode được tính theo công thức gần đúng sau : U F Với rF : Điện trở động theo chiều thuận rF I F Các ký hiệu thường dùng trong thiết kế : F = Forward để chỉ trạng thái dẫn theo chiều thuận, R = Reverse để chỉ trạng thái khóa trong vùng nghịch Hình 2.2 a) Đặc tính diode lý tưởng ; b) đặc tính diode thực tế 1.1.2 Ví dụ Một diode công suất có đặc tính như sau: Điện áp ngưỡng U(TO) = 0,85v Điện trở động rF = 8mΩ Với dòng chảy qua cố định I F = 50A, suy ra điện áp thuận trên diode là: U F = U TO + rF .I F = 0,85v + 8mΩ.50A = 1,25v 1.1.3 Hệ số hình dáng Độ tin cậy của diode được đánh giá qua khả năng chịu tải ở chế độ làm việc dài hạn với tần số lưới điện 50-60Hz và nhiệt độ tại mối nối phụ thuộc rất lớn vào công suất tiêu tán, nhiệt trở và điều kiện tỏa nhiệt của diode
47 Trong ví dụ 1.2.2, dòng qua diode có giá trị cố định là trường hợp hiếm khi xảy ra. Trên thực tế, dòng qua diode có dạng xung và gồm hai giá trị: Giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình, như trong trường hợp chỉnh lưu 3 pha bán kỳ (M3) thời gian dẫn của mỗi diode là T/3. Hình 2.3 trình bày các giá trị của i đo bằng dụng cụ đo chỉ thị kim Hình 2.3 Đồ thị thời gian dòng thuận của dioe, giá trị trung bình và hiệu dụng Trong số tay tra cứu thường cho giá trị trung bình I của diode. Hình FAV 2.3 cho thấy các giá trị này được tính từ chuỗi xung dòng qua diode. Mặt khác giá trị hiệu dụng I FRMS được đo bằng đồng hồ Sự khác nhau giữa dòng điện đo bằng đồng hồ với dòng tính toán được thể hiện F, đó là tỉ số giữa giá trị hiệu dụng với giá trị trung bình. Theo hình 2.3 Vì hệ số giá trị F thuộc vào dạng dòng điện nên trong thực tế đối với các dạng tín hiệu thông dụng khi biết F và một trong hai giá trị, có thể tìm được giá trị còn lại một cách dễ dàng (hình 2.4)
48 Hình 2.4 Hệ số hình dáng các dạng dòng điện quan trọng 1.2.4 Công suất trên diode khi dẫn điện Công suất rơi trên diode được tính theo công thức 1.2.5 Ví dụ Một diode công suất có: IFAV = 25A, IFRMS = 48A, U(TO) = 0,75v và rF = 8mΩ được xử dụng trong một mạch chỉnh lưu cầu với tải điện trở có Id = 40A. Kiểm tra khả năng chịu đựng của diode Cả hai giá trị dòng điện đều nhỏ hơn trị số cho phép, công suất rơi trên diode được tính như sau: 1.2.6 Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch Một diode được điều khiển dẫn hay tắt là do cực tính điện áp đặt trên nó, nhưng diode chỉ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng qua diode bằng 0 (hình 2.5)
49 Hình 2.5 Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau: - Công tắc hở khi U 0v - Công tắc hở khi IF < 0A Trong quá trình làm việc thường xuất hiện các xung nhiễu làm cho điện áp nghịch tức thời đặt lên diode tăng nhưng không được vượt quá trị số cho phép URRM, trong mạch chỉnh lưu trị số này được chọn với hệ số an toàn từ 1,5 2. Do đó: URRM » (1,5 2). U Nếu ngõ ra mạch chỉnh lưu có dùng tụ lọc thì điện áp nghịch đặt trên diode bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào  URRM » (1,5 2). u 1.2.7 Phân loại diode công suất Dựa trên lĩnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau:  Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50 60Hz  Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA  Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV  Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao.
50  Các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoảng thời gian ngắn 1.2 Thyristor Cũng thường được gọi là SCR. Thyristor là linh kiện điện tử công suất rất thông dụng, đoạn đặc tính nghịch (phần tư thú 3) của Thyristor giống như của diode, trong đoạn đặc tính thuận (phần tư thú 1) Thyristor chỉ có hai trạng thái xác định ( hình 2.6 và 2.7), để chuyển từ trạng thái khóa thuận sang trạng thái dẫn cần phải kích xung điện áp dương vào cực cổng Thyristor, khoảng cách từ gốc tọa độ đến thời điểm xuất hiện xung kích gọi là góc kích α Hình 2.6 Đặc tính thyristor lý tưởng Hình 2.7 Đường đặc tính thực tế của thyristor
51 Vì đặc tính thuận giống như diode nên phương pháp tính công suất tiêu tán cũng tương tự diode, chỉ khác ở chỉ số F được thay bằng chỉ số T I F RMS ITAV Hình 2.8 là mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor với các điều kiện chuyển mạch như sau: Hình 2.8Thyristor như 1 công tắc điều khiển bằng công tắc và xung kích Dòng kích trong khoảng thời gian bán kỳ âm sẽ làm giảm khả năng chịu đựng điện áp nghịch của thyristor (hình 2.9): Mặc dù theo chiều thuận chỉ có một miền PN Phân cực nghịch trong khi theo chiều nghịch là hai miền. Nhưng nhà sản xuất thường cho hai trị số điện áp đánh thủng là bằng nhau UDRM = URRM Hình 2.9 Đặc tính khóa nghịch của thyristor theo dòng kích Ngoài ra trong sổ tay còn cho biết dòng rò theo chiều thuận ID cũng như theo chiều nghich I R. Các dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ mối nối ν J, UDRM và cả URRM
52 Về phần mạch điều khiển trong sổ tay còn cho biết dòng kích I GT và điện áp kích UGT, thông thường các trị số này là tối thiểu và với điều kiện tại nhiệt độ mối nối là 250C Trong trường hợp tải điện cảm, xung kích phải được duy trì cho đến khi dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì IH để tránh trường hợp thyristor chuyển về trạng thái tắt (khóa thuận) Hiện nay trên thị trường đã chế tạo được một số loại thyristor có các tính chất đặc biệt như: Photo thyristor được dùng trong trường hợp cần cách ly về điện giữa mạch điều khiển với mạch động lực Hình 2.10 GTO thyristor cho phép tắt Và GTO thyristor nhằm mục đích cải thiện hệ số công suất trong các hệ thống chỉnh lưu. Hình 2.14 trình bày mạch điện dùng GTO thyristor (gate turn off) kèm theo biểu đồ điện áp, điện áp ra không những phụ thuộc điện áp vào, góc kích mà còn phụ thuộc vào góc tắt β 1.3 Triac và Diac Về nguyên tắc, triac tương đương với 2 thyristor ghép song song ngược chiều và có chung cực cổng: Đặc tính của triac là dẫn điện hai chiều, ký hiệu, đặc tuyến và phương pháp điều khiển linh kiện này được trình bày ở hình 2.11 Giống như thyristor, sau khi được kích dẫn, triac chỉ duy trì trạng thái dẫn điện khi dòng qua nó lớn hơn dòng duy trì IH. Triac được dùng để điều khiển dòng điện xoay chiều (hình 2.12) trong hình 2.12 cho thấy triac được xử dụng như một công tắc xoay chiều điều khiển đèn, motor, lò sưởi công suất nhỏ và trung bình
53 Hình 2.11 Ký hiệu, đặc tính và cách điều khiển triac Hình 2.12 Điều chỉnh dòng xoay chiều dùng triac Triac thực tế - 2N6344 - ON Semiconductor
54 1.4 Transistor công suất Do đặc tính của vật liệu chế tạo, cho đến nay vẫn còn tồn tại mâu thuẩn giữa hai yêu cầu: Chịu đựng được điện áp cao và dòng tải lớn trong 1 transistor công suất. Transistor công suất được chia làm 3 loại như sau: 1.4.1 Transistor 3 miền khuếch tán Cấu tạo loại này là 1 transistor NPN được chế tạo dựa trên nền bán dẫn loại N có mật độ tạp chất thấp. Đầu tiên, phosphor được khuếch tán lên một mặt của chất bán dẫn silic để tạo ra lớp bán dẫn N mật độ cao, tiếp theo đó pha tạp chất Bohr lên bề mặt còn lại để tạo nên vùng P và quá trình tiếp theo lại được thực hiện với phosphor. Mặt ngoài của vùng P được bao bởi lớp cách điện oxid silic (SiO2) và có chừa một khoảng trống để đưa vào vùng N điện cực emitter (hình 2.13)
55 Hình 2.13 Transistor 3 miền khuếch đại Ở giữa miền cực thu -loại N- và miền cực nền -loại P- có một vùng đệm loại N mật độ thấp nên làm tăng khả năng chịu đựng điện áp nghịch uCE của transistor. V.D: 1,2KV tại dòng cực thu là 15A, linh kiện này được ứng dụng nhiều trong trường hợp đóng ngắt tốc độ cao với tải điện cảm có tần số hàng KHz như trong hệ thống quét ngang của máy thu hình hoặc các mạch biến đổi công suất nhỏ đến 5KW 1.4.2 Transistor công suất ghép Darlington Transistor công suất với dòng lớn hơn 10A có hệ số khuếch đại dòng rất thấp, do đó khi yêu cầu làm việc với dòng điện và điện áp cao chúng thường được ghép darlington với nhau trong đó có kết hợp thêm các diode bảo vệ và các điện trở cân bằng (hình 2.14) Hình 2.14 Transistor công suất Darlington điện áp cao và tốc độ cao Do tín hiệu điều khiển các transistor darlington không cần lớn nên có thể giảm được các tầng điều khiển như vẫn thường áp dụng đối với các transistor công suất đơn lẻ. R1, R2 : Điện trở cân bằng để ổn định UBE V4 : Diode tăng tốc để giảm V2 : Diode bảo vệ Bảng 2.15 trình bày một số loại transistor công suất darlington tốc độ cao
56 1.4.3 Transistor công suất epitaxi Kỹ thuật epitaxi có hiệu quả rất lớn trong quá trình chế tạo transistor công suất bằng kỹ thuật này có thể tăng dòng cực thu đến 20A, điện áp nghịch 150v và công suất tiêu tán 250W đối với cả 2 loại PNP và NPN (transistor bổ túc) và chúng thường đượ cứng dụng trong các mạch khuếch đại âm tần công suất lớn 1.4.4 Bộ nguồn chế độ xung Bộ nguồn chế độ xung là một ứng dụng của các transistor công suất do cấu tạo gọn nhẹ và hiệuu suất cao hơn so với các mạch nguồn nuôi cổ điển. Trong mạch này điện áp nắn từ lưới điện được đóng ngắt với tần số từ 15-30KHz, sau đó qua biến áp và lại được chỉnh lưu trở lại thành một chiều. Hình 2.16. Hình 2.16 Bộ nguồn xung theo nguyên lý biến đổi đồng dẫn đơn Trong khoảng thời gian transistor dẫn điện, năng lượng được chuyển sang cuộn thứ cấp biến áp và tạo ra dòng điện chảy qua V60, L2 và Rload. Trong khoảng thời gian tắt của transistor không có dòng qua V60, lúc này năng lượng tích trữ trong L2 sẽ duy trì dòng tải ngang qua V70 và năng lượng từ trường trong biến áp ngang qua V50 và cuộn khử từ được nạp vào tụ lọc nguồn, chu kỳ thứ hai tiếp tục khi transistor dẫn điện trở lại 1.4.5 Bộ điều khiển 400 A dùng transistor công suất Trong nhiều thiết bị điều chỉnh dòng lớn thường thực hiện bằng cách ghép song song nhiều transistor công suất lại với nhau. Hình 2.17 trình bày một bộ cắt dòng 400A điều khiển động cơ một chiều trong kỹ thuật hàng không
57 Tầng công suất gồm 6 transistor 70A ghép song song và tầng điều khiển gồm 3 transistor 20A ghép song song, các điện trở mạch cực phát có tác dụng phân bố đều dòng điện trong các nhánh Hình 2.17 Bộ điều khiển 400 A dùng transistor công suất 1.5. MOSFET 1.5.1 Cấu tạo Mosfet Hình 2.18 Cấu tạo Mosfet G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G.
58 Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. 1.5.2 Mạch điều khiển động cơ dung Mosfet Đối với tải thiết bị cần tần số đóng cắt lớn (>20Khz) người ta thường không dùng BJT vì nhược điểm trên mà người ta dùng các linh kiện công suất như Mosfet hay IGBT Và cái này thường dùng để điều khiển động cơ DC lớn và các bộ băm áp có công suất lớn. Cái này chúng ta cần chú đến : Tín hiệu điều khiển đóng cắt , bảo vệ các van điều khiển, dòng ngược từ tài có khả năng phá hủy tiếp giáp Ví dụ như mạch dùng Công suất dùng Mosfet điều khiển động cơ DC - 24V: Hình 2.19 : Mạch điều khiển động cơ dùng Mosfet Mạch này là điều khiển động cơ DC-24V hay nhỏ hơn 24V dùng cầu H sử dụng Mosfet công suất. Trong mạch này do tín hiệu từ vi điều khiển không đủ để mở khóa Fet cho nên phải dùng con kích xung là opto P521 . Ngoài ra còn thiết kế ra những mạch cầu H công suất lớn hơn như thế phải cần dùng các con Mosfet hay IGBT có Id lớn phù hợp với tải khi đó mạch cầu H của bạn phải dùng tất cả các FET cùng kênh và có mạch lái
59 Trong thực tế có 1 loại IC bán dẫn được tích hợp luôn cả cầu H trong đó ta chỉ cần cấp xung điều khiển, có bảo vệ dòng : + L293 : Với điện áp đầu vào là 36V và dòng điện đỉnh qua nó là 1.2A + L298 : Với điện áp đầu vào là 46V và dòng điện đỉnh qua nó là 4A 1.5.3 Mạch tạo xung nguồn Hình 2.20 Mạch tạo xung nguồn Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khi xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra 1.5.4 Thực hành mạch điều khiển dùng mosfet Tóm tắt lý thuyết MOSFET công suất: Bài thí nghiệm này khảo sát MOSFET loại tăng (E-MOSFET) chế tạo dưới dạng V-MOSFET (Vertical MOSFET) hay D-MOSFET (Double-diffused MOSFET) MOSFET kênh N dẫn khi VGS > V > 0 và V GS(th) DS > 0. MOSFET kênh P dẫn khi VGS 0 nên tải thường phải mắc ở cực D khi sử dụng MOSFET như một chuyển mạch (Hình 2.21). MOSFET có ưu diểm là khi bão hòa là VDS xuống rất thấp nên công suất tiêu tán bên trong (dưới dạng nhiệt) nhỏ hơn nhiều so với BJT
60 Chú ý: BJT được điều khiển bằng dòng điện IB, còn FET thì được điều khiển bằng điện áp VGS và điện áp này tùy thuộc FET nên phải thật cẩn thận tránh để ID vượt quá IDMAX mà FET có thể chịu được. Hình 2.21 Bài 1: Lắp mạch điều khiển của Mosfet có dạng sau Hình 2.22 a) Đo VD chỉnh VR xác định điện thế thềm VGS(th) b) Đo VD chỉnh VR đến khi MOSFET bão hòa. Xác định trị số tối thiểu của VGS làm FET bảo hòa. Suy ra IDSAT . So sánh VDS(SAT) với VCESAT của BJT. Nhận xét. Bài tập 2:
61 Khảo sát mạch điều khiển dùng Mosfet Bước 1: Nối cực POWER INPUT của bảng mạch với nguồn cung cấp 15V. Lúc này đừng bật nguồn cung cấp. Bước 2: Thiết lập mạch như hình 3.23. Để làm được điều đó, đặt một jumper đểnối R1 nối tiếp R2, dùng jumper thứ2 đểlàm đoản mạch có cuộn cảm L1. Trong khối mạch DRIVER (DR), đặt đặt 1 jumper giữa cực dương của nguồn và ngõ ra cực A. Sau đó nối cực A của khối mạch DRIVER vơí cực A của khối mạch MOSFET . Sau cùng, nối cực B và C của khối mạch LOAD (Z) với cực B và C của khối mạch MOSFET R1 R2 R3 10 10 10 C C B R2 1 B R1 220 IG DC CH2 15v CR1 CH1 DC 10v S1 Hình 2.23 Bước 3: Trên bộchân đế, xoay núm dương của nguồn điều khiển hết cỡ ngược chiều kim đồng hồ đểthu được điện áp 0V. Sau đó, bật nguồn cung cấp. Bước 4: Trên kênh 2, điện áp giữa cực máng drain và cực nguồn của MOSFET là bao nhiêu? VDS=___V Bước 5: Xem kết quả ở bước 4, bạn có thểxác định MOSFET ngắt và ngăn không cho dòng drain chạy qua không? O Có O Không Bước 6: Xoay nguồn điều khiển dương theo chiều kim đồng hồ sao cho điện áp cực G MOSFET tăng đến khi MOSFET dẫn. Bước 7: Điện áp giữa cực máng drain và cực nguồn vủa MOSFET bằng bao nhiêu? VDS (ON)= ___ V
62 Bước 8: Xem kết quả ởbước trước, bạn có thểxác định MOSFET bật và cho dòng máng drain chạy qua không ? O Có O Không Bước 9: Dùng VOM ởchế độ DC, đo điện áp trên điện trởR1 ởphía cực G. Dòng cực G xác định bằng cách lấy điện áp đo được chia cho điện trởR1. IG =___mA Bước 9: Dùng nguồn điều khiển dương, thay đổi vài lần điện áp từ0 đến 10V, trong khi đó quan sát kỹtín hiệu. Bước 10: Có phải MOSFET hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G không? O Có O Không 1.6 IGBT 1.6.1 Cấu tạo Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter ( tương tự cực gốc) với collector(tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET . Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n- p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET. Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector. Hình 2.29: Cấu trúc của IGBT 1.6.2 Khảo sát IGBT
63 R1 R2 R3 10 10 10 C C B R2 1 R1 220 IG DC CH2 15v CR1 CH1 DC 10v S1 Hình 2.24 Bước 1: Tắt nguồn. Thiết lập mạch nhưhình 2.24 (chỉ thay MOSFET bằng IGBT) Bước 2: Trên bộchân đế, xoay núm dương của nguồn điều khiển hết cỡngược chiều kim đồng hồ đểthu được điện áp 0V. Sau đó, bật nguồn cung cấp. Bước 3: Trên bộdao động ký. Điện áp giữa cực C và E của IGBT là bao nhiêu? VCE=___V Bước 4: Xoay nguồn điều khiển dương theo chiều kim đồng hồsao cho điện áp cực G IGBT tăng đến 10V. Bước 5: Điện áp giữa cực C và E của IGBT là bao nhiêu? VCE(ON) =___V Bước 6: Dùng VOM ởchế độDC, đo điện áp trên điện trởR1 ởphía cực G. Dòng cực G xác định bằng cách lấy điện áp đo được chia cho điện trở R1. xác định dòng G. IG=___mA Bước 7: Biến đổi vài lần điện áp giữa 0 đến10V, quan sát thật kỹ tín hiệu bước 8: Có phải IGBT hoạt động nhưmột công tắc được điều khiển bởi dòng G, nghĩa là dẫn điện khi cung cấp điện áp 10V cho dòng G và ngắt điện khi không cung cấp điện áp cho dòng G không? O Có O Không 1.7 GTO 1.7.1 Cấu tạo
64 Hình 2.30 : Cấu tạo của GTO • GTO có thêm cổng kích ngắt mắc song song với cổng kích dẫn. • Để GTO dẫn thì dòng kích dẫn phải được duy trì khi nó dẫn. • Khi dòng kích vượt quá giá trị cho phép thì GTO sẽ không kích ngắt được • GTO được sử dụng cho các mạch công suất lớn có thể lên tới 6000- 7000A Để kích dẫn hoặc ngắt công tắc bán dẫn ởcông suất rất cao, nên dùng thyristor GTO. Ví dụ, GTO có thểchuyển mạch tại dòng có cường độ 850A và chịu hiệu điện thế 4500V. Ngoài ra GTO còn là một công tắt điện có thể điều khiển mà chịu được một điện áp ngược bằng điện áp thuận Thyristor GTO là công tắc có thể điều khiển dùng trong mức công suất cao nhất. Để kích dẫn GTO cần có một xung dòng dương từcực G. Để ngắt GTO, cần cung cấp cho GTO một xung dòng âm. Cần duy trì một dòng điện cực G đủ lớn đểGTO duy trì trạng thái hiện tại. - Ký hiệu GTO tương tự như ký hiệu Thyristor, như đã xem trong tài liệu Mạch điều khiển pha và Thyristor, ngoại trừ dấu gạch xiên nhỏ được thêm vào A G K GTO Thyristor Hình 2.31 : Ký hiệu của GTO Thyristor
65 1.7.2 Khảo sát GTO - Thyristor Bước 1: Nối cực POWER INPUT của bảng mạch với nguồn cung cấp 15V. Lúc này đừng bật nguồn cung cấp. Bước 2: Thiết lập mạch như hình 2.32. Đểlàm được điều đó, đặt một jumper để nối R1, dùng jumper thứ 2 để làm đoản mạch có cuộn cảm L1. Trong khối mạch DRIVER, đặt 1 jumper giữa cực dương của nguồn và ngõ ra cực A. Sau đó nối cực A của khối mạch DRIVER với cực A của khối mạch Thyristor GTO. Trong khối mạch THYRISTOR GTO, đặt jumper nối nối cực B đến +15V. Sau cùng, nối cực B và C của khối mạch LOAD (Z) với cực B và C của khối mạch Thyristor GTO Hình 2.32 Khảo sát Thyristor GTO Bước 3: Trên bộchân đế, xoay núm dương của nguồn điều khiển hết cỡngược chiều kim đồng hồ đểthu được điện áp 0V. Sau đó, bật nguồn cung cấp. Bước 4: Trên bộdao động ký, trên kênh 2, điện áp giữa anode và cathode của Thyristor GTO là bao nhiêu? VAK=___V Bước 5: Xem kết quả ở bước 4, bạn có thểxác định Thyristor GTO ngắt và ngăn không cho dòng IA chạy qua không ? O Có O Không Bước 6: Xoay nguồn điều khiển dương theo chều kim đồng hồsao cho điện áp cực G Thyristor GTO tăng đến 10V.
66 Bước 7: Điện áp giữa cực anode và cathode của Thyristor GTO bằng bao nhiêu? VAK(ON) = ___V Bước 8: Xem kết quả ởbước 7, bạn có thểxác định Thyristor GTO dẫn và cho dòng IA chạy qua không ? O Có O Không Bước 9: Tương tựcâu trên, xác định dòng G của GTO. IG =___mA Bước 10: Dùng nguồn điều khiển dương, thay đổi vài lần điện áp từ0 đến 10V, trong khi đó quan sát tín hiệu. Bước 11: Có phải Thyristor GTO hoạt động nhưmột công tắc được điều khiển bởi dòng G không? O Có O Không Cấp lại dòng cực G. Giảm điện áp của nguồn dương cho đến khi Thyristor GTO tắt. Ghi lại giá trịdòng điện làm cho Thyristor GTO tắt. IA=___A Bước 12: Xoay núm điều khiển nguồn âm hết cỡ theo ngược chiều kim đồng hồ. Gỡ jumper mà nối ngõ ra dương (+10V) với cực A và nối ngõ ra âm (-10V) với cực A để đưa xung âm vào cực G Thyristor GTO. Bước 13: Điện áp ởcác cực Thyristor GTO bằng bao nhiêu? VG=___V Bước 14: Dùng jumper, biến đổi vài lần điện áp từ+10V đến –10V, đểcấp không cố định vài xung âm và dương đến cực G Thyristor GTO trong khi đó quan sát tín hiệu Bước 15: Thyristor GTO có hoạt động nhưcông tắc có thể điều khiển mà bật khi nó nhận xung dòng dương ởcực G và tắt khi nhận xung dòng âm ởcực G không? O Có O Không 2. PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DIODE SILIC Mục tiêu - Bảo vệ quá áp do hiệu ứng tích tụ điện tích - Quá áp do đóng ngắt - Một số các phần tử bảo vệ quá áp
67 2.1 Bảo vệ quá áp Hiện tượng quá điện áp có thể phát sinh do hiệu ứng tích tụ điện tích, áp suấthoặc biến thiên dòng điện trong điện cảm, các điện áp này có thể vượt quá điện ápnghịch cho phép của diode và làm hư hỏng diode 2.1.1 Bảo vệ quá áp do hiệu ứng tích tụ điện tích Khi điện áp trên diode giảm xuống 0, lúc này tại vùng tiếp xúc vẫn còn nhiều hạt tải tự do và dòng điện vẫn tiếp tục chảy qua diode mặc dù điện áp trên diode lúc đó đảo chiều và dòng này sẽ giảm đột ngột khi các hạt tải rời khỏi vùng tiếp xúc, đột biến dòng điện này sẽ tạo ra trong mạch điện cảm một xung điện áp Hiện tượng tích tụ điện tích phát sinh theo chu kỳ và phụ thuộc vào điện áp lưới điện. Xung điện áp phát sinh sẽ cộng thêm với điện áp lưới và gây nguy hiểm cho diode tương ứng, bằng cách ghép một mạch bảo vệ có tính chấtđiện dung song song với diode (còn gọi là mạch AHS) để dòng điện này có thể tiếp tục chảy qua điện dung (hình 2.33) Hình 2.33 Bảo vệ diode trong chỉnh lưu cầu bằng mạch AHS Ngược lại với diode, đối với thyristor mức điện tích nạp vào tụ phụ thuộc vào góc kích và trong thời gian thyristor dẫn tụ sẽ phóng điện đột ngột. Do đó, trong trường hợp này cũng phải xử dụng mạch bảo vệ AHS gồm một tụ điện nối tiếp với một điện trở đệm (hình 2.34), giá trị các linh kiện này phụ thuộc vào mạch điện cụ thể, điện áp lưới và dòng thuận cho phép. V.D: Với các thyristor có dòng điện khoảng 50A các giá trị này được cho trong hình 2.34 Hình 2.34 Giá trị các mạch AHS
68 2.1.2 Quá áp do đóng ngắt Quá điện áp có thể xảy ra do hiện tượng đóng ngắt tải điện cảm hoặc điện dung, do biến thiên từ thông trong các động cơ điện một chiều và cũng có thể do sét đánh vào dây dẫn ngoài trời. Do đó, việc chọn biện pháp bảo vệ phụ thuộc vào từng trường hợp và ứng dụng cụ thể. Trong nhiều trường hợp, hiện tượng quá áp có thể được bảo vệ bởi một mạch RC. Trong đó, tác dụng của các điện dung nhằm tích trữ năng lượng của các xung điện áp và của các điện trở nối tiêp là để triệt tiêu dao động tự kích. Trong nhiều trường hợp một mạch RC như thế thường thực hiện cả hai nhiệm vụ: Bảo vệ AHS và bảo vệ quá điện áp hình 2.35) Phương pháp này cũng có hạn chế là kích thước tụ lớn và tính kinh tế không cao, đối với các diode điện áp thấp thường dùng phương pháp bảo vệ bằng các phần tử giới hạn điện áp. Hình 2.35 Bảo vệ quá áp do đóng ngắt và tích tụ điện tích 2.1.3 các phần tử bảo vệ quá áp Các phần tử này được chia làm hai loại: Loại dẫn điện khi quá điện áp và loại hạn chế điện áp. Đường đặc tính của loại dẫn quá áp có đoạn đặc tính điện trở âm, chúng sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện (điện trở nhỏ) khi điện áp đạt một giá trị xác định. Các phần tử gới hạn điện áp bao gồm: Varistor và các diode gới hạn điện áp đối xứng, các linh kiện này hạn chế điện áp tại một giá trị xác định để bảo vệ các linh kiện bán dẫn khác. Hình 2.36 trình bày ba loại phần tử bảo vệ quá áp quan trọng nhất thường được dùng trong kỹ thuật chỉnh dòng Varistor oxid kim loại Loại này phù hợp với đặc tính của thyristor (hình 2.36). Vì chúng có nhiệt dung lớn nên thường dùng để hạn chế điện áp tạo ra bởi các xung điện áp, Varistor được dùng như mạch TSE đối với các thyristor có đỉnh dòng
69 ngược nhỏ hơn 20A. Ứng dụng chủ yếu của chúng là để hạn chế điện áp trong các mạch chỉnh lưu không điều khiển có công suất nhỏ và trung bình và cả các mạch ổn áp Diode quá áp Chúng có cấu tạo giống thyristor nhưng có điện áp đánh thủng cố định và chính xác UBO (hình 2.36), loại này không có cực cổng, điện áp đánh thủng được chế tạo từ 500V đến 4000V nhằm mục đích ngăn khả năng tự dẫn của thyristor. Hình 2.36 Các phần tử bảo vệ quá áp Varistor: sẽ hạn chế điện áp khi thyristor ở trạng thái khóa thuận để tránh hiện tượng tự dẫn của thyristor khi xuất hiện xung điện áp. Diode ổn áp đối xứng : Là kết hợp giữa hai diode giới hạn điện áp (hình 2.28) ghép nối tiếp và ngược chiều. loại này thích hợp để bảo vệ cho các diode lớn trong các thiết bị có công suất từ 100KW trở lên. Đối với các thyristor có tốc độ tăng điện áp thấp cần phải thêm mạch AHS. Hình 2.37 trình bày các ứng dụng điển hình Bảo vệ quá áp các bộ biến đổi công suất thấp dùng varistor
70 Bảo vệ các thyristor công suất ở trạng thái khóa dùng diode quá áp Bảo vệ quá áp các van bộ biến đổi công suất lớn theo chiều khóa dùng diode quá áp Bảo vệ quá áp theo 2 chiều các thyristor công suất lớn dùng diode ổn áp đối xứng Bảo vệ quá áp các thyristor công suất lớn trong mạch nối tiếp dùng diode ổn áp đối xứng kết hợp mạch AHS Hình 2.37 Các ứng dụng bảo vệ quá áp điển hình 2.2 Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch Các diode silic thường có nhiệt dung thấp nên dễ bị quá nhiệt khi dòng điện chảy qua có giá trị quá lớn. Tốc độ tăng dòng không được lớn hơn giá trị cho phép Si-krit, nếu không có thể dẫn đến hư hỏng diode. Giới hạn dòng điện và công suất phải được lưu ý và được cho trong sổ tay của nhà sản xuất. Tốc độ tăng dòng di/dt có thể giảm được bằng cách ghép thêm điện cảm Trong quá trình làm việc, các diode còn phải được bảo vệ: - Quá dòng ngắn hạn khi chạm mạch cũng như quá tải - Quá dòng dài hạn (luôn bị quá tải)
71 Dựa trên nguyên nhân phát sinh, các hiện tượng trên được phân loại như sau: Ngắn mạch bên trong Gây ra bởi khả năng chịu đựng điện áp thuận cũng như nghịch của thyristor giảm bởi xung nhiễu hoặc các miền tiếp xúc bên trong bị ngắn mạch Ngắn mạch bên ngoài Gây ra do tải bị ngắn mạch, điện áp lưới quá cao hoặc hư hỏng thiết bị chuyển mạch. Hiện tượng quá tải dài hạn có thể do nguyên nhân cơ khí, ví dụ hệ truyền động bị kẹt hoặc có thể do nguyên nhân tải điện ví dụ mạch hạn dòng không hoạt động . Dựa trên phương pháp bảo vệ bao gồm hai loại:Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ toàn bộ. Trong phương pháp bảo vệ toàn bộ phải chọn thiết bị bảo vệ có đặc tính tác động sao cho trong suốt thời gian bảo vệ dòng điện vẫn thấp hơn dòng giới hạn của diode, điều này có thể đạt được bằng các biện pháp sau đây: - Dùng cầu chì tác động nhanh - Dùng thiết bị đóng cắt từ tốc độ cao - Kết hợp cầu chì tác động nhanh với tiếp điểm nhiệt - Kết hợp cả ba biện pháp nêu trên 2.2.1 Bảo vệ bằng cầu chì Trong nhiều trường hợp đặc biệt là khi công suất nhỏ, phương pháp bảo vệ thường dùng là cầu chì tác động nhanh trong khoảng từ 1mS đến 10mS khi có quá dòng. Một đại lượng quan trọng cho việc tính chọn cầu chì là tích phân tải giới hạn của diode. Đó là nhiệt độ cho phép của vùng chắn được biểu thị bằng tổng tất cả các giá trị tức thời i 2 trong một khoảng thời gian xác định Với diode có IFAV = 50A = 3500 A2S trong 10mS tại ϑJ = 450 C hoặc Với thyristor có ITAV = 50A = 7200 A2S trong 10mS tại ϑJ = 450 C Hoặc = 2400 A2S trong 10mS tại ϑJ = 1250 C Sơ đồ mạch Cầu chì nội bộ Cầu chì ngoài
72 ứng dụng Trường hợp có sức Trường hợp công suất phản điện và các van ghép > 20 KW song song trong mỗi nhánh Ưu điểm Chống ngược cực tính trong Giá thành thấp máy nạp điện, có khả năng bảo vệ tốt hơn cho các van Khuyết điểm Giá thành cao Không tốt khi quá dòng xảy ra trong khoảng thời gian ngắn Hình 2.38 Bảo vệ bằng cầu chì tác động nhanh Trong phương pháp bảo vệ này giá trị ∫i2 dt của cầu chì trong thời gian đáp ứng phải luôn nhỏ hơn phân nửa giá trị tích phân tải giới hạn của diode. Trong thực tế thường chọn (i2 dt)cầu chì ≤ 0,9 (i2 dt)diode Dòng định mức của cầu chì nên chọn từ 1,1 đến 1,4 lần dòng điện thực tế . Cầu chì tác động nhanh có dạng ống thủy tinh với một vòng màu vàng và ký hiệu FF. Ví dụ cầu chì loại Silized 5SD420 có các thông số quan trọng như sau: Điện áp U = 500V Dòng IRMS = 16A i2 t = 60A2S 2.2.2 Phương pháp bảo vệ quá dòng kết hợp Đối với các thiết bị lớn chỉ nên dùng một cầu chì để bảo vệ ngắn mạch. Vì vây, việc bảo vệ quá dòng phải cần dùng thêm các phần tử khác. Đặc tính của các phần tử như thế, tổ hợp bảo vệ, bao gồm một cầu chì tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch và một tiếp điểm nhiệt bảo vệ quá dòng dài hạn trong phạm vi công suất từ 6 - 20KW (hình 2.39). Trong hình 2.39 là hai sơ đồ bảo vệ có công suất khác nhau.
73 Hình 2.39 Đặc tính bảo vệ ngắn mạch và quá dòng Sơ đồ Bảo vệ MCB Bảo vệ kết hợp ứng dụng ứng dụng có công suất ứng dụng có công suất ≤ 15 KW ≥ 20 KW Ưu điểm Không cần thay mới khi Thích hợp cho yêu cầu có sự cố, tiết kiệm tiếp bảo vệ các van điểm làm việc Khuyết điểm Bảo vệ ngắn hạn kém Chi phí cao Hình 2.40 So sánh 2 phương pháp bảo vệ với các mức công suất khác nhau 2.3 Bảo vệ quá nhiệt 2.3.1 Đại cương Điện áp thuận của linh kiện bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện áp nguồn nuôi nhưng do dòng điện qua miền tiếp xúc tương đối lớn nên công suất rơi trên miền tiếp xúc cũng làm tăng nhiệt độ tại đây. Nếu tần số làm việc lớn hơn 60Hz hoặc khi làm việc với tín hiệu xung thì công suất tiêu hao trong thời gian chuyển mạch sẽ làm nhiệt độ tăng cao,
74 tương quan giữa tiêu hao công suất lúc đóng và ngắt mạch còn phụ thuộc theo loại tải. Để tính toán công suất tiêu hao tổng Pges rơi trên linh kiện phải biết công suất tiêu hao khi dẫn thuận P F, khi dẫn nghịch PR, công suất điều khiển Pcontr và công suất chuyển mạch Psw Ptot = PF + PR + Pcontr + Psw Trong lĩnh vực điện tử công suất, công suất tiêu hao nghịch và điều khiển có thể bỏ qua, và công suất tổng khi làm việc ở tần số cao hoặc xung được tính gần đúng theo công thức Ptot ≈ PF + Psw Và khi tần số làm việc nhỏ hơn 60Hz Ptot ≈ PF Trong hình 2.41 trình bày các công thức tính tiêu hao công suất trên linh kiện bán dẫn Hình 2.41 Công suất tiêu hao thuận trên linh kiện bán dẫn 2.3.2 Đặc tính nhiệt tĩnh Trong phần này trình bày về nhiệt dung của linh kiện và sẽ được giảm đi nhờ các cánh tỏa nhiệt, có nghĩa là nhiệt độ phát sinh phải được truyền toàn bộ vào môi trường làm nguội. Nhiệt trở phải có giá trị thật thấp để công suất tiêu hao Ptot có thể truyền từ cánh tỏa nhiệt vào không khí dễ dàng. Gọi Δϑ là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ mối nối ϑJ với nhiệt độ môi trường ϑA Δϑ = ϑJ - ϑA Suy ra nhiệt trở được tính theo công thức Nhiệt trở tổng là tổng cộng các nhiệt trở thành phần: Nhiệt trở giữa vỏ với mối nối (Rth JC), giữa vỏ với cánh tỏa nhiệt (R th CK) và giữa cánh tỏa nhiệt với môi trường (Rth KA) Đối với các linh kiện công suất lớn, cánh tỏa nhiệt được đặt ở hai mặt tương đương như mạch ghép song song
75 2.3.3 Ví dụ ghép 4 diode trên 1 cánh tỏa nhiệt Từ sổ tay của nhà sản xuất tìm được các giá trị cho phép tương ứng với các loại cánh tỏa nhiệt. Ứng dụng sơ đồ nhiệt tương đương ở hình 2.42. Bốn diode trong mạch chỉnh lưu cầu được ghép chung trên cùng một cánh tỏa nhiệt 0 Rth JC = 1,5K/W; Rth CK = 0,7K/W ; Rth KA = 0,35K/W; ϑJ = 180 C; ϑA = 450C Hình 2.42 Sơ đồ tương đương nhiệt trở tĩnh của cánh tỏa nhiệt chung Rth tot = (1/4)(Rth JC + Rth CK) + Rth KA = (1/4)(1,5 + 0,7) K/W + 0,35 K/W = 0,55 K/W + 0,35 K/W = 0,9 K/W Với giá trị này suy ra công suất tối đa trên 4 diode Công suất tiêu hao trên mỗi diode 2.3.4 Đặc tính nhiệt động Khi dòng tải thay đổi V.D: Trong chế độ làm việc xung, lúc này hệ thống tỏa nhiệt được xem như là sự kết hợp giữa nhiệt trở và nhiệt dung (hình 2.43), đặc tính nhiệt của linh kiện gọi là nhiệt trở động Z th, giá trị này thay đổi theo thời gian và là đơn vị đo khả năng truyền nhiệt trong một khoảng thời gian ngắn. Vì trong khoảng thời gian dài thì các nhiệt dung C th đã được nạp ổn định nên có thể thay thế bằng nhiệt trở tĩnh như chỉ ở
76 hình 2.36 3 Zth = Rth khi t > 10 S Hình 2.43 Sơ đồ tương đương nhiệt trở động của van có tỏa nhiệt Hình 2.44 Đặc tính nhiệt trở động Zth 2.3.5 Các cách truyền dẫn nhiệt Trong trạng thái tĩnh, phụ thuộc vào loại và kích thước diode và cả thiết bị cũng như chế độ làm việc, nhiệt có thể truyền dẫn bằng nhiều cách: Bức xạ nhiệt, dẫn nhiệt và đối lưu Bức xạ nhiệt Quá trình truyền nhiệt xảy ra do dao động sóng điện từ, vật đen có khả năng bức xạ nhiệt cao nhất Năng lượng nhiệt có thể được truyền đi bằng bức xạ nhưng trong chất bán dẫn nhiệt được truyền đi tỉ lệ với điều kiện truyền nhiệt và đối lưu và không do hiện tượng bức xạ Dẫn nhiệt
77 Việc truyền dẫn năng lượng ra môi trường lạnh hơn là do hiệu ứng va chạm của các phân tử chuyển động nhanh trong môi trường nóng, khả năng truyền nhiệt phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và được đánh giá bởi độ dẫn nhiệt λ (hình 2.45). Cánh tỏa nhiệt được chế tạo chủ yếu từ nhôm và đồng, bạc có độ dẫn nhiệt tốt nhưng ít được dùng vì giá thành cao Vật liệu Độ dẫn nhiệt Độ dẫn Hệ số nhiệt Mật độ nhiệt Bạc 415 0,07 10,5 Đồng 394 0,1 8,9 Nhôm 229 0,24 2,7 Sắt 71 0,13 7,8 Nước 0,6 1,63 1 Không khí 0,02 0,28 1,29 x 10-3 Hình 2.45 Đặc tính nhiệt của vật liệu Đối lưu Trước tiên, nhiệt lượng được hấp thu bởi chất lỏng hoặc chất khí như nước hoặc không khí và sau đó được truyền đi bởi chuyển động của các chất đó (không khí nóng bay lên cao). Hiện tượng đối lưu là một dạng làm nguội bằng không khí thường dùng cho các linh kiện bán dẫn, đặc biệt là không khí tạo một tiếp xúc rất tốt với vỏ của linh kiện và cánh tỏa nhiệt Trong trường hợp công suất lớn, ngoài biện pháp làm nguội bằng không khí còn xử dụng nước cũng như các loại dầu đặc biệt Đối với các linh kiện công suất nhỏ được làm nguội tự nhiên bằng không khí, diện tích cánh tỏa nhiệt được tính theo công thức kinh nghiệm Làm nguội cưỡng bức Được thực hiện bằng quạt gió hoặc bơm nước vào linh kiện cần làm nguội. Phương pháp này thường dùng trong trường hợp công suất lớn để bảo đảm tốt khả năng tỏa nhiệt 3. Công tắc xoay chiều ba pha
78 3.1 Đại cương Các van bán dẫn có điều khiển như: Transistor và thyristor chỉ cho dòng điện chảy qua theo một chiều, nhưng trong kỹ thuật xoay chiều và 3 pha, một chuyển mạch điện tử hải có khả năng cho dòng điện chảy theo hai chiều, yêu cầu này được thực hiện bằng triac hoặc ghép song song và ngược chiều các thyristor với nhau (hình 2.46) hình 2.46: Công tắc xoay chiều dùng thyristor và triac Công tắc được đóng bằng cách kích xung vào van tương ứng với chiều dẫn điện, xung kích là điện áp một chiều tại mỗi bán kỳ của điện áp xoay chiều Mặc dù các công tắc cơ khí vẫn còn xử dụng nhưng trong nhiều lĩnh vực chúng đã bị thay thế bởi công tắc điện tử Trong sổ tay kỹ thuật các công tắc điện tử có ký hiệu như sau: Rờ le điện tử ELR hoặc Rờ le bán dẫn SSR Phần sau đây trình bày ưu và khuyết điểm của công tắc điện tử so với công tắc cơ khí. Ưu điểm • Tốc độ chuyển mạch cao • Tần số đóng ngắt cao • Tuổi thọ dài • Độ tin cậy cao • Không gây nhiễu • Không bị ảnh hưởng môi trường • Không bị rung động Khuyết điểm • Không cách ly về điện giữa lưới và tải ngay cả ở trạng thái tắt • Tiêu hao tương đối lớn • Khả năng quá dòng có giới hạn
79 • Khả năng quá áp có giới hạn 3.2 Công tắc xoay chiều Dòng điện và điện áp trong tải điện trở thì tỉ lệ với nhau. Do đó, nếu xung kích xuất hiện ngay tại thời điểm điện áp lưới đạt giá trị cực đại thì dòng điện trong mạch sẽ tăng đột ngột lên giá trị cực đại, với tốc độ tăng dòng quá lớn như thế có thể gây nguy hiểm Cho van bán dẫn và còn tạo nên nhiễu tần số cao. Hiện nay, hầu hết các công tắc xoay chiều ứng dụng trong công nghiệp đều là loại chuyển mạch tại điểm điện áp bằng 0, phần tiếp theo đây sẽ giới thiệu một số công tắc quan trọng thuộc loại này 3.2.1 Nguyên tắc chuyển mạch tại điểm 0 Hình 2.47 trình bày quan hệ giữa hoạt động của một công tắc khi đóng trực tiếp với tải và khi đóng tại điểm 0. Công tắc chuyển mạch tại điểm 0 cấu tạo từ các linh kiện điện tử, trong trường hợp công suất lớn thường hay dùng thyristor hoặc triac với thời điểm kích ngay sau khi điện áp lưới qua điểm 0. Thyristor cũng như triac được điều khiển bằng điện áp một chiều hoặc xung, hiện nay có nhiều mạch điều khiển được chế tạo bằng công nghệ vi mạch. Hình 2.48 trình bày một công tắc chuyển mạch tại điểm 0 dùng vi mạch điều khiển TCA 780 với tải cảm kháng, bằng cách chỉnh biến trở ở vị trí thích hợp sao cho góc kích ổn định tại α = 0 0 và khi tải đưọc đóng mạch thì xung kích phải có bề rrộng đủ lớn để dòng điện qua van có đủ thời gian tăng cao hơn dòng duy trì. Chuyển mạch tại điểm 0 cũng có thể thực hiện với vi mạch U106BS. Hình 2.47 Dòng tải qua công tắc 1 pha có và không có kích tại điểm 0
80 Hình 2.48 Công tắc xoay chiều 1 pha W1 3.2.2 Rờ le điện tử (ELR) Rờ le điện tử được gọi là ELR hoặc SSR (rờ le bán dẫn), ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật điều khiển điện tử, để cách ly về điện giũa tải với mạch điều khiển trong thực tế thường dùng các liên kết quang học (hình 2.49) và lúc này tín hiệu điều khiển được truyền đến phần động lực thông qua ánh sáng. Hình 2.49 Sơ đồ khối ELR Thông số kỹ thuật của rờ le điện tử ELR A 240 (Siemens) Dòng chuyển mạch hiệu dụng 40 A Điện áp chuyển mạch hiệu dụng 240 V Đỉnh điện áp cực đại khi tắt 600 V Điện áp 0 < 30 V Tần số làm việc 47 63 Hz Dòng duy trì 100 mA Độ tăng điện áp 200 V/μS Độ tăng dòng điện 20 A/μS Tích phân tải giới hạn (10mS) 300 A2S Điện áp điều khiển (một chiều) 3 30 V
81 Dòng điều khiển (một chiều) < 20 mA Nhiệt độ làm việc -20 +800C Trọng lượng 115 g Một linh kiện ELR như thế được chế tạo dưới dạng một khối với 4 chân ra (hình 2.50) có kích thước như sau: Hình 2.50 Kích thước của ELR 40 A Hình 2.51 Sơ đồ cơ bản của ELR
82 Hình 2.52 Đặc tính chuyển mạch của ELR trong vùng điện áp bằng 0 Hình 2.52 trình bày nguyên lý làm việc của ELR khi không có điện áp điều khiển đặt giữa chân 3 và 4 (ELR sẽ tắt), led V2 không sáng và quang transistor V3 bị khóa, lúc này có dòng cực nền chảy qua R4 làm cho V4 dẫn bảo hòa, tín hiệu điều khiển thyristor V5 bị ngắn mạch, thyristor V5 và triac V7 tắt qua tải chỉ có dòng rò rất nhỏ chảy qua hai linh kiện này. Bây giờ, nếu đặt điện áp điều khiển từ 3V 30V giữa chân 3 và 4 của ELR thì led V2 sẽ sáng làm cho quang transistor V3 dẫn điện , với cầu phân áp chọn thích hợp thì V4 vẫn duy trì trạng thái tắt lân cận giá trị 0V của điện áp lưới, dòng kích qua R5 làm thyristor V5 và triac V7 dẫn điện cung cấp dòng cho tải, khi IL > IH điện áp rơi trên ELR có giá trị U 30V, ELR vẫn duy trì trạng thái tắt cho đến bán kỳ kế tiếp. Thời gian trì hoãn lúc đóng mạch có thể kéo dài đến 1 bán kỳ do đặc tính kích tại điểm 0, điều này được minh họa trong biểu đồ thời gian dưới đây
83 Tại thời điểm t1 quang transistor V3 được kích dẫn, transistor V4 vẫn còn dẫn vì điện áp cực nền của nó đủ lớn nên thyristor V5 và triac V7 cũng như tải vẫn ở trạng thái tắt. Trong chế độ làm việc dài hạn, ELR và tải luôn dẫn điện khi điện áp điều khiển còn được duy trì. Như đường đặc tính ở hình 2.52 và 2.53 cho thấy triac V7 được kích dẫn trong mỗi bán kỳ tại điểm có điện áp bằng 0. Khi mất điện áp điều khiển, tại bán kỳ kế tiếp triac không được tiếp tục kích nên sẽ tắt và dòng qua tải lúc này bằng 0. Diode V1 trong mạch điều khiển hình 2.53 có nhiệm vụ bảo vệ ngược cực tính cho led (vì led có điện áp nghịch cho phép rất thấp) Hình 2.53 Đặc tính chuyển mạch của ELR khi điện áp lớn hơn 0 V 3.2.3 ELR trong mạch tự duy trì Để đơn giản cho việc chuyển đổi từ các thiết bị đóng cắt điện cơ sang điện tử, các khái niệm trong kỹ thuật điều khiển điện cơ cũng được áp dụng trong kỹ thuật điều khiển dùng mạch điện tử Ví dụ trong yêu cầu đóng ngắt dùng nút nhấn có một mạch rất quen thuộc đó là mạch "tiếp điểm tự duy trì" (hình 2.53) Nếu đưa khái niệm tự duy trì vào lĩnh vực điện tử công nghiệp thì có nghỉa là ELR cũng được đóng điện bởi một nút nhấn và bị cắt bởi một nút
84 nhấn khác, nhưng ngược lại với hình 2.53 là yêu cầu điều khiển này không dùng tiếp điểm phụ. Trong hình 2.54 trình bày một mạch tự duy trì chỉ dùng ELR và một bộ tích lũy năng lượng tại ngõ vào điều khiển làm nhiệm vụ tự duy trì. Sau khi ấn S1, bộ tích lũy phải nhận đủ năng lượng và chuẩn bị sẳn sàng để kích ELR trong các bán kỳ tiếp theo sau đó mà không cần phải ấn S1, trong hình 2.55 trình bày mạch tự duy trì dùng ELR R115 (BBC), khi ấn nút S0, năng lượng điều khiển trong bộ tích lũy bị mất và ELR chuyển sang trạng thái tắt cho đến khi có xung kích dẫn tiếp theo bằng cách ấn S1. 3.3 Công tắc 3 pha 3.3.1 Đại cương Một công tắc 3 pha cơ khí còn gọi là công tắc 3 cực bao gồm 3 tiếp điểm được tác động cùng lúc, công tắc điện tử cũng tương tự như thế (hình 2.56)
85 Hình 2.56 Công tắc 3 pha W3 sơ đô B tải tam giác Bao gồm 3 công tắc 1 pha W1 và được gọi là công tắc 3 pha W3. Tải 3 pha có thể ghép theo sơ đồ hình tam giác hoặc hình sao. Có nhiều dạng mạch khác nhau phụ thuộc vào từng loại công tắc điện tử. V.D: Mạch ghép hình sao có hoặc không có dây trung tính, ngoài ra mạch điện còn được phân loại dựa trên cách sắp xếp linh kiện Sơ đồ A Trong sơ đồ này các công tắc hoạt động độc lập với nhau, không bị phụ thuộc vào các công tắc khác Sơ đồ B Một công tắc chỉ hoạt động cùng lúc với công tắc khác 3.3.2 Mạch ghép tam giác Trong dạng mạch A, mỗi một công tắc W1 hoạt động hoàn toàn độc lập với các công tắc khác. Từ hình 2.57 cho thấy trong dạng mạch này mỗi phụ tải 3 pha riêng lẻ được đóng mạch bởi công tắc tương ứng và điện áp đặt lên tải là điện áp dây U. Ngược lại, trong dạng mạch B được trình bày ở hình 2.48 dòng điện chỉ chảy qua tải khi ít nhất hai trong ba công tắc dẫn điện. Hình 2.57 Công tắc W3 sơ đồ A, tải tam giác
86 3.3.3 Mạch ghép sao với dây trung tính Một sơ đồ mạch W3 khác trong đó các công tắc hoạt động độc lập với nhau (hình 2.57), khác với mạch trong mục 3.3.2, điện áp đặt lên tải lúc này là điện áp pha ULN = U/ 3 Trong hệ thống tải 3 pha không đối xứng sẽ làm xuất hiện dòng điện trong dây trung tính, loại mạch này không được xử dụng phổ biến Hình 2.58 Công tắc W3 sơ đồ A, tải nối sao có dây trung tính 3.3.4 Mạch ghép sao không có dây trung tính Xem mạch điện trong hình 2.51, điều kiện để một công tắc dẫn điện phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của hai công tắc khác. V.D: Công tắc ở dây L1 chỉ dẫn khi ít nhất có môt trong hai công tắc khác cùng dẫn, để duy trì trạng thái dẫn dòng điện trong từng van phải lớn hơn dòng duy trì Đối với dạng mạch B, các khả năng sau đây có thể xảy ra: Trường hợp 1 V.D: Hai công tắc ở L1 và L2 dẫn nên trở kháng Z1 và Z2 xem như được ghép nối tiếp và điện áp dây UL1L2 chia đều trên hai trở kháng này Trường hợp 2 Khi cả ba công tắc đều dẫn, lúc này điện áp đặt lên mỗi tải riêng lẻ là điện áp pha ULN = U/ 3 Hình 2.59: Công tắc 3-pha mode B, tải trở Hình 2.60: Công tắc 3 pha Đấu sao không có dây trung tính đơn giản dung 2ELR
87 3.4 Úng dụng Như đã đề cập đến các ưu điểm của công tắc điện tử, loại công tắc này thích hợp với các ứng dụng trong kỹ thuật dòng 3 pha có tần số đóng ngắt cao và dòng tải lớn. V.D: Điều khiển động cơ và lò sưởi 3.4.1 Công tắc 3 pha kích bằng dòng xoay chiều Như đã đề cập đến các ưu điểm của công tắc điện tử, loại công tắc này thích hợp với các ứng dụng trong kỹ thuật dòng 3 pha có tần số đóng ngắt cao và dòng tải lớn. V.D: Điều khiển động cơ và lò sưởi 3.4.1 Công tắc 3 pha kích bằng dòng xoay chiều Trong hình 2.61 là mạch điều khiển động cơ 3 pha công suất tiêu thụ đến 0,7KVA có biểu đồ vectơ kèm theo ở hình 2.62. Linh kiện xử dụng là các triac loại TXC02C60 (Siemens) được kích bằng dòng điện xoay chiều, các triac này có thể được điều khiển riêng rẽ nhờ có dây trung tính. Tiếp điểm S có nhiệm vụ tắt/mở mạch, điện trở cực cổng triac tạo góc kích khoảng 60 tại mỗi phần tư thứ nhất cũng như thứ ba 3.4.2 Công tắc 3 pha kích một chiều Hình 2.63 trình bày một chuyển mạch 3 pha kích bằng dòng một chiều tải điện trở. Với sơ đồ như trên cho thấy tất cả các điện cực A1 của 3 triac đều nối vào dây trung tính và cũng là điểm chung của điện áp kích, các triac trong mạch được kích dẫn theo nguyên tắc ở phần tư thứ ba và thứ tư. Công tắc S dùng để tắt/mở ba mạch kích, vì điện áp kích là một chiều nên các triac vẫn còn dẫn điện cho đến khi dòng tải giảm bằng 0. Hình 2.61 Công tắc 3 pha kích xoay chiều mode A
88 Hình 2.62 Đồ thị vec tơ điện áp của hình 2.61 Hình 2.63 Công tắc 3 pha mode A kích bằng dòng 1 chiều 3.4.3 Công tắc 3 pha dùng ELR Điều khiển động cơ là một ứng dụng quan trọng của công tắc điện tử 3 pha. Hình 2.64 trình bày một hệ thống điều khiển động cơ dùng rờ le điện tử R111/5 (BBC) có cấu tạo được vẻ ở hình 2.65, loại này thích hợp để điều khiển động cơ có công suất đến 2,2KW Đặc tính kỹ thuật của R111/5 Ngõ ra Điện áp làm việc định mức U 380V Dãi điện áp làm việc cho phép 100 420V
89 Dòng làm việc định mức 10A Dòng định mức không có tỏa nhiệt 5A Dòng đỉnh 10mS 150A Tích phân tải giới hạn 10mS 195A2S Điện áp nghịch cho phép 1600V Điện áp rơi cực đại ≤ 3,2V Dòng rò cực đại ≤ 8mA Dòng duy trì 5mA Độ tăng điện áp du/dt ≥ 200V/μS Hình 2.64 Công tắc 3 pha điều khiển động cơ 3 pha dùng ELR Ngõ vào Dãi điện áp điều khiển 3 32V Điện áp thấp nhất 1V Dòng điện điều khiển 3 32mA Trở kháng vào 1KW Thời gian trì hoãn ≤ 10mS Điện áp cách ly vào/ra 250Veff Điện áp cách ly với vỏ 2500Veff Nhiệt độ môi trường 25 +700C Trên nguyên tắc chỉ cần nối trực tiếp chân L2 với động cơ, mỗi rờ le hoạt động như 1 công tắc, tiếp điểm Q trong hình 2.63 dùng để đóng/mở hệ thống khi cần sủa chữa hoặc bảo trì
90 Mạch bảo vệ R1552 gồm một varistor mắc song song với một mạch RC, loại varistor oxid kẽm BOV 420 S 20K (BBC) có tác dụng giới hạn điện áp đỉnh và mạch nối tiếp RC có R = 47Ω/2W; C = 0,1μF/400V dùng để giảm độ tăng điện áp du/dt, đây chính là mạch AHS. 3.4.4 Mạch đảo chiều dùng công tắc điện tử Hình 2.65 Mạch đảo chiều bằng công tắc điện tử Chiều quay động cơ ba pha được thay đổi bằng cách đảo thứ tự hai trong ba pha, yêu cầu này rất phổ biến và để bảo đảm an toàn cần phải có mạch bảo vệ đảo chiều. Nếu các động cơ thường hay đảo chiều thì điều cần thiết để kéo dài tuổi thọ của các bộ phận cơ khí cũng như điện là phải thường xuyên bảo trì và sửa chửa, nếu thay bằng mạch điện tử thì những yêu cầu này sẽ giảm đi rất nhiều. Mạch điện hình 2.65 được thiết kế theo nguyên lý làm việc của mạch đảo chiều dùng phần tử điện cơ, yêu cầu khóa liên động giữa các ngõ vào điều khiển và đảo thứ tự pha nhờ ứng dụng các ELR. Tuy nhiên, khi dùng ELR để đảo chiều quay cần phải kết hợp thêm các phần tử khác như: Chốt hoặc bộ tạo trì hoãn vì thyristor cũng như triac vẫn duy trì trạng thái dẫn đến 10mS và có thể gây nên ngắn mạch các pha khi chuyển mạch trực tiếp
91 Hiện tượng trên được khắc phục bằng một mạch logic đảo chiều có khả năng loại bỏ các khuyết điểm trong quá trình đảo chiều. Hình 2.65 và 2.66 mô tả mạch logic đảo chiều R459 (BBC), nguyên lý làm việc như sau: Hình 2.66 Sơ đồ khối logic điều khiển đảo chiều R 459 Tín hiệu đảo chiều từ cảm biến cơ hoặc cảm biến điện cảm được đưa đến các ngõ vào 1 và 2, chiều quay tương ứng tại các ngõ ra 9 và 10 được duy trì cho đến khi có tín hiệu đảo chiều tiếp theo, hiên tượng ngắn mạch được hạn chế nhờ hai khâu trì hoãn tdel = 25mS đặt trên đường truyền tín hiệu dẫn đên các ngõ ra, tại ngõ ra 9 còn thêm một khâu trì hoãn thay đổi được từ 0,2 đến 2 giây bằng biến trở, có thể loại bỏ khâu này bằng cách ngắn mạch hai chân 6 và 7 ở bên ngoài vi mạch. Giả sử chân 3 vi mạch là ngõ Set của FF và chân 5 là ngõ Reset, nếu ngắn mạch chân 3 và 4 thì FF được ưu tiên ở trạng thái Set và ngõ ra của FF được dẫn ra ở chân 8. Đặc tính kỹ thuật của R459 như sau: Đặc tính điện Dòng tiêu thụ Trạng thái nghỉ 20mA Trạng thái Set 40mA + dòng ra Tín hiệu vào (tất cả các ngõ vào) ≥1,3mA Khả năng tải ngõ ra (chân 9, 10) 200mA Khả năng tải ngõ ra (chân 8) 25mA Thời gian trì hoãn điển hình Trì hoãn Set 8mS Trì hoãn Reset 2,5mS Trì hoãn đảo chiều 25mS
92 Tạm dừng (chỉnh được) 200 2000mS Nguồn nuôi 24VDC Dung sai ± 30% Độ gợn sóng ≤ 5% Đặc tính cơ Hình dạng Vỏ nhựa DIN 46277 Kích thước (BxHxT) 20 x 88 x 102mm Chân ra 2,8mm dạng phẳng Nhiệt độ làm việc -25 +700C Trọng lượng 0,110Kg 4. Công tắc một chiều Mục tiêu Giải thích được công tắc rơ le bán dẫn một chiều ứng dụng công tắc bán dẫn vào điều khiển 4.1 Đại cương Khác với công tắc xoay chiều và công tắc ba pha cần phải dùng ít nhất là hai thyristor, trong công tắc điện tử một chiều chỉ cần một thyristor và cũng có thể xử dụng các transistor chuyển mạch 4.2 Rờ le bán dẫn Là một dạng phát triển của công tắc xoay chiều điện tử được chế tạo gọn trong một khối. V.D: các công tắc tơ điện tử xoay chiều. Do yêu cầu không cao nên các công tắc tơ DC loại này không hiện nay chưa phổ biến mà thay vào đó lả việc xử dụng các công tắc DC bằng transistor và thyristor truyền thống. 4.3 Công tắc DC dùng transistor Như đã biết, ở chế độ chuyển mạch điểm làm việc của transistor chỉ ở một trong hai vị trí ON hoặc OFF và đặc tính chuyển mạch phụ thuộc trực tiếp vào loại tải xử dụng. Hình 2.67 trình bày đường đặc tính làm việc tương ứng tải điện trở (đường đứt nét) và hai đường của tải điện cảm Hình 2.67 Transistor với tải điện cảm
93 Hình 2.68 Đặc tính làm việc của ông tắc transistor với tải điện cảm 4.3.1 Công tắc DC dùng BJT Hình 2.67 là sơ đồ nguyên lý của công tắc transistor tải điện kháng bao gồm thành phần điện cảm LL và thành phần điện trở RL với các đặc tuyến tương ứng ở hình 2.68 Trong thực tế, mạch trên thường được ứng dụng để điều khiển nam châm máy nâng vận chuyển. Ưu điểm của loại mạch này là có khả năng tránh được các điện áp nhiễu do ghép ký sinh với dây dẫn ngõ vào. 4.3.2 Công tắc DC dùng FET Thời gian trước đây transistor trường không được xử dụng trong lĩnh vực điện tử công suất, ưu điểm của chúng là: - Công suất điều khiển thấp - Độ ổn định nhiệt tốt và khuyết điểm là điện trở khi dẫn điện còn cao. Hình 2.69 và 2.70 trình bày cấu tạo của loại MOSFET thông dụng và của loại FET công suất mới hiện nay (VMOS-FET) được dùng trong các chuyển mạch một chiều, ngoài ưu điểm đã kể ở trên chúng còn có ưu điểm nửa là không cần điện trở cân bằng khi ghép song song các VMOS-FET lại với nhau (hình 2.71) như trong trường hợp BJT (hình 2.72) Nhờ cấu tạo gọn nhẹ nên hiện nay trong một vi mạch có thể tích hợp được đến 1 vài ngàn VMOS-FET có điện áp cho phép đến 1000V và dòng đến 30A.
94 Hình 2.71 Ghép song song VMOSFET Hình 2.72 Ghép song song BJT 4.3.3 Ví dụ : Bộ đóng/cắt điện dùng VMOS Hình 2.73 mô tả công tắc một chiều điều khiển nam châm kéo dùng VMOS-FET 2N6656 có ngõ vào được điều khiển bằng tín hiệu TTL, điện áp cực đại của FET là UDSmax = 135V và dòng cực đại IDmax = 3A FET công suất không cần dòng điều khiển. Tuy nhiên, để đạt được dòng IDS lớn thì điện áp điều khiển tối thiểu Ucontr ≥ 5V tại cực cổng của VMOS-FET. Điều này được thực hiện trong hình 2.73 bằng một điện trở kéo lên R1 = 10KΩ
95 Hình 2.73 Công tắc DC dùng VMOSFET 4.4 Công tắc DC dùng GTO thyristor Hiện nay chỉ có GTO thyristor mới có khă năng tắt bằng cách đưa xung âm kích vào cực cổng, các loại thyristor này được chế tạo với dòng điện làm việc đến 200A và điện áp đến 1200V. Nhưng đến nay phạm vi ứng dụng linh kiện này cũng còn hạn chế do giá thành và công suất điều khiển để tắt còn cao. 4.5 Công tắc DC dùng thyristor Như đã biết, hầu như các chuyển mạch một chiều điện áp cao và dòng điện lớn đều xử dụng thyristor. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên cũng còn tồn tại một khuyết điểm là một thyristor đang dẫn trong mạch điện một chiều chỉ có thể tắt bằng biện pháp cưỡng bức, điều này được thực hiện nhờ năng lượng tích trữ trong một điện dung 4.5.1 Công tắc DC thyristor với tải điện trở Hình 2.74 là sơ đồ chuyển mạch một chiều dùng thyristor với tải điện trở, tiếp theo đó là phần giải thích nguyên lý làm việc của tụ giao hoán để tắt thyristor Hình 2.74 Công tắc DC thyristor với tụ giao hoán (các nút nhấn S1 và S2 là thường hở)
96 Hình 2.74 Điện tích trong tụ ở trạng thái 1 Trạng thái 1 (Trạng thái tĩnh) Thyristor V1 tắt, nút nhấn S1 và S2 hở (hình 2.73), dòng trong mạch bằng 0, qua đèn và điện trở 1KΩ, điện áp 2 cực của điện dung C = 0,15μF cũng bằng điện áp nguồn U = 20V và tụ không được nạp (hình 2.74) Trạng thái 2 (Trạng thái tĩnh) Thyristor V1 được kích bởi S2, sau khi kích S2 lại hở (hình 2.75), lúc này có dòng qua đèn, điện áp tại cực A của tụ vào khoảng +1V (điện áp rơi trên thyristor), điện áp tại cực B của tụ là UB = +20V và tụ được nạp một lượng điện áp khoảng 19V vì B dương hơn A (hình 2.76) Hỉnh 2.75 Trạng thái 2 thyristor V1 đang dẫn Hình 2.76 Tụ đang nạp ở trạng thái 2
97 Trạng thái 3 (trạng thái động) Thyristor V1 dẫn điện, sau khi đóng S1 cực B của tụ xem như nối masse, vì điện áp cực B từ +20V giảm xuống 0V (hình 2.77) và điện tích chứa trong tụ không thể thay đổi tức thời nên điện áp cực A sẽ thay đổi từ +1 xuống -19V (hình 2.78) làm cho thyristor bị phân cực nghịch (anode âm hơn cathode), kết quả là dòng điện bị giảm thấp hơn dòng duy trì và thyristor chuyển sang trạng thái tắt Hình 2.77 Trạng thái 3 nút nhấn S1 vừa mới đóng Hình 2.78 Điện tích trong tụ ở trạng thái 3 Trạng thái 4 (trạng thái động) Thyristor V1 tắt, S1 còn đóng (hình 2.79), ngay khi thyristor tắt dòng không còn chảy qua đèn, điện áp tại cực A của tụ tăng từ -19V đến +20V (tụ được nạp theo chiều ngược lại) Hình 2.79 Trạng thái 4 S1 vẫn còn đóng, thyristor V1 tắt