Một số ứng dụng của điện tử công suất trong điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha pdf

Một số ứng dụng của
điện tử công suất
trong điều chỉnh tốc
độ động cơ 3 pha
Chương 1:
VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC LINH KIỆN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DÙNG TRONG
VIỆC ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
I.1 ĐIỀU KHIỂN TRANSISTOR:
- Transistor được dùng để đóng cắt dòng điện có cường độ
tương đối lớn. Vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái:
- Trạng thái đóng (dẫn bão hòa) để đóng mạch điện.
- Trạng thái mở (ngưng dẫn) để cắt mạch điện.
Khi transistor hoạt động với thời gian dẫn bão hòa hay ngắt
tương đối dài còn gọi là chế độ khóa của transistor.
I.1.1 Chế độ khóa của Transistor.
-Transistor làm việc ở chế độ khóa như một khóa điện tử
đóng mở mạch nhanh với tốc độ nhanh (10
-9
s  10
-6
s) do đó có
nhiều đặc điểm khóa với chế độ khuếch đại.
Transistor ở chế độ khóa thì điện áp đầu ra có hai trạng
thái sau:
V
ra
=1 khi V

vào
= 0.
(I.1)
V
ra
= 0 khi V
vào
= 1.
- Chế độ khóa của transistor được xác đònh bởi chế độ điện
áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua một mạch
phụ trợ (khóa thường đóng hay thường mở) việc chuyển trạng
thái khóa thường đïc thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực
tính thích hợp tác động tới đầu vào. Những đặc điểm chủ yếu
của chế độ khóa được xét như hình I.1.
HìnhI-1:Mạch khóa dùng Transistor
-Ban đầu khi V
vào
=0, transistor ở trạng thái mở, dòng điện
ra I
c
= 0 lúc không có tải R
t
, khi transistor được coi là hở mạch
V
ra
= V
nguồn
khi cho xung điều khiển có cực tính dương tới đầu
vào V
vào

= 1 transistor chuyển sang trạng thái đóng (bão hòa)
điện áp ra thỏa mãn điều kiện ở (I.1) V
ra
= 0 ở trạng thái bão
hòa để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích cực
nền quá lớn, dòng điện cực nền ban đầu phải cao để chuyển
sang trạng thái dẫn nhanh chóng, ở chế độ khóa dòng điện nền
phải giảm cùng qui luật như dòng điện thu để tránh hiện tượng
chọc thủng tiếp giáp BC.
Trạng thái đóng mạch I
B
lớn
I
C
do tải giới hạn
Trạng thái hở mạch I
B
=0
+Vnguồn
RC
R3
Hình I.2: Đặc tuyến transistor ở chế độ khóa.
I.1.2 MẠCH TR GIÚP MỞ:
Hình I.3 :Mạch trợ giúp mở.
Khi transistor chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở.
Mạch trợ giúp mở gồm các phần tử C, D
1
, R
1
. Dòng điện tải

là i, vì thời gian chuyển trạng thái rất ngắn nên xem I=const
trong mỗi lần chuyển trạng thái.
Ban đầu V
CE
= V
CE bảo hòa
 0, i
C
=I, i
D
= 0.
t2
t1
i
D
t
t
t
i
D
I V
I
i
C
0
0
0
V+
ic
Vvào

i
i
i1
D
D2
Rt
D1R1
C
Khi cho xung áp tâm tác động vào cực nền của Transistor
dòng I
C
giảm tuyến tính từ 1 xuống 0 trong khoảng thời gian t
1
.
Nếu không có mạch trợ giúp mở i
C
+ i
D
= I = const (I.2).
Vừa lúc i
C
bắt đầu giảm thì i
D
tăng lên ngay, D
2
làm chuyển
mạch tải
V
CE
= V+0,6V (I.3).

Nếu có mạch trợ giúp thì ta có: i
C
+ I
1
= I = const (I.4).
vừa lúc i
C
bắt đầu giảm tuyến tính thí i
1
cũng bắt đầu tăng tuyến
tính tụ C được nạp điện.
Khi t=t
1
, i
C
= 0, V
C
(t
1
) = V
CE
<< V
Sau t
1
, tụ điện C được nạp bằng dòng I
Cho đến khi V
C
= V lúc này diode D
1
mới cho dòng chảy

qua thời gian tổng cộng của quá trình chuyển trạng thái mở là t
2
.
Trong thực tế người ta chọn C sao cho:
2t
1
< t
2
< 5t
1
Trong đó:
T
1
là thời gian cần thiết để i
C
giảm từ I xuống 0, cho trong
sổ tay tra cứu
(I.5)
C
ic
I
dt
dVc


C
I
dt
dVc


V
tI
t
V
CIi
2
2
1
.
C
(I.7).:đúnggầntínhđượcCdungĐiện



Chương 2: MẠCH TR GIÚP ĐÓNG
Ta có sơ đồ mạch như sau
Hình I.4: Mạch trợ giúp đóng
- Mạch trợ giúp đóng gồm L
1
, D
3
, R
2
có chức năng hạn chế
sự tăng trưởng của dòng i
C
trong khoảng thời gian cần thiết để
V
CE
giảm từ giá trò V xuống V

CE
bão hòa = 0 cho trong sổ tay tra
cứu.
- Thời gian tổng cộng của quá trình đóng là :t
- Điện cảm L
1
được tính gần đúng bằng biểu thức
8)-(I
.
1
I
t
V
L


+Vn
Vv
T
D2
D1R1
C
L1
R2
D3
Rt
* Khi Transistor từ trạng
thái mở sang trạng thái
đóng
Trong thực tế người ta chọn L

1
sao cho:
2 tđ <t

<5tđ
Điện trở R
2
có tác dụng hạn chế dòng điện do sức điện động
tự cảm trong L
1
tạo ra trong mạch L
1
,R
2
,D
3
trong khoảng thời
gian t
2
chuyển sang trạng thái mở T. Như vậy phải thỏa mãn
điều kiện:
Điện trở R
1
có nhiệm vụ hạn dòng điện phóng của tụ C
Trong mạch CTR
1
trong khoảng thời gian đóng t

như vậy
phải thỏa mãn điều kiện R

1
C>t

.
I.2 ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR:
I.2.1: Các yêu cầu cơ bản về mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi
Thyristor. Nó đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết đònh chất
lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu đối với mạch điều
khiển đa dạng gồm các bước chính sau:
 Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển.
- Mỗi Thyristor đều có một đặc tính đầu vào đó là quan hệ
giữa áp trên cực khiển và dòng điện chạy qua cực khiển
V
đk
=f(i
đk
).
Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc mà
ngay cả các Thyristor cùng loại cũng có những đặc tính đầu vào
khác nhau. Yêu cầu độ lớn điện áp và dòng điện điều khiển là:
- Giá trò lớn nhất không vượt quá giá trò cho phép ở sổ tay
tra cứu.
-Giá trò nhỏ nhất phải đảm bảo mở được tất cả các
Thyristor cùng ở mọi điều kiện làm việc.
9)-(I
2
2
1
t

R
L

-Tổn hao công suất trung bình trên cực điều khiển phải nhỏ
hơn trò cho phép.
 Yêu cầu về độ rộng xung:
- Căn cứ vào đặc tuyến V-A của Thyristor ta thấy tồn tại
xung điều khiển phải đảm bảo cho dòng qua Thyristor tăng từ 0
đến giá trò I
C
khi Thyristor mở bằng xung điều khiển quá trình
mở có thể xem là quá trình tăng điện tích ở lớp bán dẫn P nối
với cực điều khiển, khi các điện tử tự do ở lớp bán dẫn này tăng
đến mức nhất đònh thì điện trở thuận của Thyristor giảm đột
ngột Thyristor mở. Độ lớn điện tích tích lũy ở lớp bán dẫn P nối
với cực điều khiển phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển.
Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 5s và
tăng độ rộng xung điều khiển cho phép giảm nhỏ biên độ xung
điều khiển.
 Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung:
Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở Thyristor
càng tốt. Đặc biệt trong khi mạch có nhiều Thyristor mắc nối
tiếp và song song. Thông thường yêu cầu về độ dốc xung điều
khiển là:
 Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển.
Ở các bộ biến đổi nhiều pha, nhiều Thyristor độ đối xứng
xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết đònh chất lượng đặc tính
ra của hệ. Nếu không đối xứng, các xung điều khiển của
Thyristor của bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự mất cân bằng
giá trò trung bình của dòng qua Thyristor.

11)-(Is}{A/1,0


dt
di
đk
 Yêu cầu về độ tin cậy:
Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi
hoàn cảnh như t
0
thay đổi, nguồn tín hiệu nhiễu tăng. Do vậy
yêu cầu:
- Điện trở ra của kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không
tự mở khi dòng rò tăng.
- Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao
động điện áp nguồn.
- Cần khử được nhiễu cảm ứng (ở khâu so sánh, ở biến áp xung
tần ra) để tránh mở nhầm.
 Yêu cầu về lắp đặt:
- Thiết bò dễ thay thế, dễ lắp ráp điều chỉnh.
- Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập.
I.2.2 Nguyên tắc xây dựng và phân loại mạch điều khiển
Thyristor.
Mạch điều khiển có nhiệm vụ gia công và biến đổi các tín
hiệu điều khiển (điện áp DC) thành các chuỗi xung để đưa vào
điều khiển Thyristor, được biểu diễn như hình I.5
Hình I.5 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor.
ĐB
CH
T

CB
CĐ
N
e
a
b



Đối tượng cần điều khiển là bộ biến đổi Thyristor T và
được đặc trưng bởi đại lượng được điều khiển ở a (có thể là
dòng, áp, nhiệt độ, tốc độ). N là khối biểu thò nhiễu bên ngoài
(do mô men tải, nhiệt độ môi trường). Bộ cảm biến CB sẽ đưa
tín hiệu b được so sánh với tín hiệu chủ đạo CĐ. Sai lệch tín
hiệu của tín hiệu

0
-b là x sẽ điều khiển thiết bò chấp hành CH,
thiết bò CH có nhiệm vụ khử sai lệch X, hoặc cực tiểu nó bằng
cách tạo ra góc điều khiển
 để điều khiển bộ biến đổi Thyristor
T. Hoạt động của thiết bò chấp hành CH được đồng bộ nhờ tín
hiệu e phát ra từ nguồn đồng bộ ĐB.
Mạch điều khiển Thyristor có thể phân loại theo nhiều
cách. Các mạch điều khiển Thyristor đều dựa theo nguyên lý
thay đổi góc pha và theo đó ta có nguyên lý khống chế ngang và
khống chế đứng.
Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc
 thay đổi
bằng cách dòch chuyển điện áp ra hình sin theo phương pháp

ngang so với điện áp ban đầu hình (I-6).
Hình I-6: Sơ đồ nguyên lý và độ thò điện áp mạch khống
chế ngang.
Vr
Vc
a
c
a
b
c

Vc
VR
b
C
VR
BA
Khống chế đứng là tạo ra góc  thay đổi bằng cách dòch
chuyển điện áp của chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện
áp răng cưa, phương pháp này lại chia ra: Phương pháp khống
chế không đồng bộ và phương pháp khống chế đồng bộ. Khống
chế đồng bộ là khống chế để tạo ra xung điều khiển Thyristor
đồng bộ với nhau nhờ nguồn pha phát tín hiệu đồng bộ, còn
khống chế không đồng bộ là việc tạo ra các xung điều khiển
Thyristor độc lập với nhau. phương pháp khống chế đứng hiện
đang được dùng phổ biến vì độ chính xác cao và khoảng điểu
khiển rộng (từ 0
0
– 180
0

).
Phương pháp khống chế đứng được biểu diễn như hình I-7.
V
3
V
V
V
0
0
0
t
t
t

V
6
V
4
ĐB
So
sánh
Tạo
hình
Khuếch
đại
Biến áp ra
V4 V5
V6
V3
V2

V
V1
Tạo xung
Hình I-7: Sơ đồ khối mạch khống chế đứng và dạng điện
áp ra của nó.
Chương 3:

Các khối của mạch điều khiển
Thyristor
a> Khối phát tín hiệu đồng bộ: ĐB Vì điều khiển
Thyristor theo nguyên lý điều khiển pha nên cần có khối đồng
bộ pha giữa điện áp điểu khiển và điện áp Anod – Cathode của
Thyristor.
Các mạch phát tín hiệu đồng bộ điển hình như sau:
 Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và diode. Hình I-8.
Hình I-8: Sơ đồ khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ
diode.
Trong đó:
V
d
: Điện áp xoay chiều đồng pha với điện áp trễ Anod – Katod
của transistor.
V
n
:nguồn điện áp một chiều.
V
c
: Điện áp đồng bộ lấy ra.
Khi V
D

>0 thì D
1
, D
2
phân cực ngược. Tụ C được nạp về nguồn
V
n
.
Khi V
c
= V
d
(ở t
2
) thì C phóng điện qua R
2
và Đ
2
. Khi V
d
<0 áp
tr6n tụ C là
V
C
cho đến khi Đ
1
khóa. Khi i
d
- i
n

=0 (tại t
1
) tụ C
bắt đầu được nạ chu kỳ mới
 nằm khoảng t
1
t
2
.
 Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và transistor:I-10.
V
đ

t
1
t
2
0
t

V
C
Vng
Vv
Vc
in
BA
Vđ
D2
D1

C
R2
R1
Vn
Vc
v
V
Vđ
R2
D2
C
R3
R1
9)-(I
V
V
arcsinGóc
đmax
đ(t1)


Hình I-10: Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và
transistor.
Trong đó:
V
đ
: Điện áp nguồn xoay chiều đồng pha với điện áp trên Anot
và Katot của thyristor.
V
n

: Điện áp điện một chiều.
V
c
: Điện áp đồng bộ lấy ra khi V
đ
>0. Transistor T bão hòa.
V
C
=v (v sụt áp trên Transistor).
Khi V
d
>0 Transistor T khóa, tụ C được nạp qua R
1
, R
3
từ V
n
.
Ta có:
Nên chọn R
1
>>R
3
đề t
nạp
>> t
phóng
.
V
đk

: Điện áp điều khiển.
b. Bộ phát xung chủ đạo:
Bộ phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra các xung với tần
số cố đònh hoặc thay đổi để làm nguồn tín hiệu chủ đạo trong
các mạch điều khiển Thyristor.
Bộ phát xung chủ đạo dùng Transistor một tiếp giáp(I-11).
T
t
1
t
2
V
đk
V
đ
V

V
14)-(I 1ln.)(R
13)-(I 1lnR2)C(R1t
31



















n
đk
n
c
nạp
V
V
CR
V
V

Hình I-11: Sơ đồ thay thế Transistor một tiếp giáp làm máy phát
xung và dạng xung ra.
Khi V
E
<V
BB
tụ C được nạp từ nguồn V
n
theo biểu thức sau:
: Tham số riêng của mỗi loại Transistor 1 tiếp giáp.

=0,470,8.
Khi V
C
V
BB
Transistor 1 tiếp giáp dẫn, tụ C sẽ phóng điện qua
R
1
và ta có:
t
t
V
r
V
E
0
0
15)-(I )1(
/ RCt
nC
eVV


Vn+
Vr
B1
B2
V
V
BB

B1
Tu
E
Ie
ic
R
R2
R1
C
V
BB
=V
n
(1-e
-t/RC
) (I-16).
T: Chu kỳ tạo xung.
V
E
:Điện áp trên cực phát của Transistor một tiếp giáp.
V
BB
:Điện áp trên cực B
1
,B
2
của Transistor một tiếp giáp
Xem V
BB
=V

n
thì
Điện trở R
2
trong sơ đồ dùng để ổn đònh tần số xung khi
nhiệt độ thay đổi, theo công thức kinh nghiệm.
Điện trở R để điều chỉnh tần số xung. Giá trò lớn nhất của
điện trở xác đònh theo điều kiện tạo dao động.
V
p
=V
BB
+V
Đ
. (I-20).
Trong đó V
Đ
: Điện áp rơi trên cực E khi UJT mở (V
Đ
=0,40,50).
V
P
: Điện áp đỉnh của Transistor một tiếp giáp (UJT) khi bắt đầu
dẫn.
I
P
:Dòng điện ứng với V
P
.
Giá trò nhỏ nhất của điện trở được xác đònh.

Trong đó V
V
, và I
V
là áp dòng ứng với điểm trũng trên đặc
tính V-A của UJT.
17)-(I
1
1
ln



RCT
18)-(I
4
,
0
2
n
BB
V
R
R


19)-(I
max
p
pn

I
V
V
R


21)-(I
min


I
V
V
R
n


Khi không có Transistor một tiếp giáp ta có thể dùng Transistor
loại thông thường để thay thế theo sơ đồ tương đương hình I-12.
Hình I-12: Sơ đồ thay thế Transistor một tiếp giáp bằng
Transistor thường.
Nguyên tắc hoạt động của hình I-12 cũng tương tự như I-
11. Ở trạng thái ban đầu cả hai Transistor T
1
và T
2
đều khác, lúc
đó tụ C được nạp từ nguồn V
n
qua điện trở R. Điện áp trên cực

nền T
1
là:
B
+Vn
B1
+Vn
R2
R1
R3
R
C
T1
T2
R
C
T1
R3
T2
D
21
1

21
1
Với
22)-(I
.
RR
R

V
RR
R
V
V
n
n
B







Khi V
C
>V
B
thì T
1
dẫn. Do cách nối các cực Transistor T
1
và T
2
nên khi T
1
bắt đầu dẫn thì giữa 2 Transistor hình thành
một phản hồi dương và cả hai T
1

,T
2
nhanh chóng chuyển qua
chế độ bão hòa. Lúc đó tụ C sẽ phóng điện qua R
3
sẽ có xung
ra. Lúc đó tỉ số
 sẽ là:
Còn các thông số còn lại tương tự như thông số mạch hình I-11.
C. Khối so sánh:
Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh các tín hiệu và phản ánh
các sai lệch tín hiệu ở đầu ra. khâu so sánh có ảnh hưởng rất
quan trọng đến sai lệch tónh của hệ thống. Ngoài ra để điều
khiển các bộ biến đổi Thysistor ngày nay các sơ đồ so sánh được
làm bằng bán dẫn và vi mạch.
Khối so sánh dùng các mạch bán dẫn được trình bày hình I-
13.
a/ b/
8,05,0
21
1



RR
R

Vr
Vn+
Vđk

V1
BA
Vđb
RB
T
Rc
Vr
Vn+
Vđk
V1
-
BA
Vđb
R2
Rc
R2
Hình I-13: Khối so sánh dùng các mạch bán dẫn.
Khối so sánh trong các hệ thống điều khiển Thyristor
thường là khối trùng hợp, nghóa là tín hiệu điều khiển bằng tín
hiệu đồng bộ thì khối so sánh sẽ cho ra tín hiệu ra. Khi khối so
sánh dùng các mạch bán dẫn thì tín hiệu điều khiển V
đk
và tín
hiệu đồng bộ V
đb
được nối với nhau theo hai cách:
- Nối nối tiếp hình(I-13a) V
đk
và V
đb

nối ngược cực tính với
nhau.
- Nối song song hình(I-13b) V
đk
và V
đb
nối song song.
Khi V
đk
=0 ta tính được điện áp đồng bộ.
Lúc nối tiếp V
đb
=V
Bo
+I
B
(R
đb
+R
đk
+r
B
) (I-23)
Diode D hình I-13 để bảo vệ Transistor khi V
đk
> V
đb.
Điện áp V
Bo
: Điện áp rơi trên tiếp giáp B-C lúc không tải.

 Khối so sánh dùng vi mạch điện tử:
Khối so sánh dùng vi mạch điện tử ngày nay được sử dụng
rất rộng rãi vì nó có nhiều ưu điểm là gọn nhẹ công suất tiêu thụ
bé, chỉ tiêu kỹ thuật cao, dễ dàng thực hiện mạch điều khiển
nhiều pha.
Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh dùng vi mạch hình (I-16).
24)-(I 1).({)1(
song
song
Lúc
2
1
2
1













đk
B
đbBBo

đk
đb
Bb
RR
r
RRRI
RR
RR
VV
+12V
v
Vr
-
V
-6V
0
-
+
+
V
-
R2
R1
+12V
V
-
-
v
-
0

-12V
Vr
V
+
+
R1
R2
Hình I-15. Sơ đồ nguên lý mạch so sánh dùng vi
mạch.
Khâu so sánh bằng vi mạch loại khuếch đại thuật toán
chuyên dùng để sosánh tín hiệu. Nhiệm vụ chính của mạch này
là chuyển tiếp điện áp ra V
r
từ mức Logic 1 sang mức logic 0
hoặc ngược lại khi điện áp Vv vượt điện áp ngưỡng V
o
.
Chương 4:
Khối khuếch đại và tạo xung đầu
ra
Khối khuyếch đại và tạo xung đầu ra có nhiệm vụ tạo ra
xung có đủ độ rộng vừa phải khuyếch đại cho xung có đủ biên
độ thỏa mãn yêu cầu đối tượng điều khiển. Đầu vào của khối
này là tín hiệu của khâu so sánh đầu ra là xung mở Thyristor.
Sơ đồ khuếch đại và tạo xung đầu ra điển hình trình bày như
hình I-16.
Hình I-16: Khuyếch đại xung nối với tải qua máy
biến áp.
Transistor T
1

, T
2
nối tầng để tăng hệ số khuyếch đại công suất
Đ
1
,R
1
để bảo vệ T
1
, T
2
khỏi quá áp khi cuộn sơ cấp của máy
biến áp xung chuyển mạch.
t
t
v
V
R2
R1
T1
T2
BAX