Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang bước vào thế kỷ 21, thế kỷ của những tiến bộ về khoa học kỹ thuật.
Sự tiến bộ của kỹ thuật sẽ giúp thay đổi toàn bộ cuộc sống của chúng ta. Trong giai đoạn
công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, VIỆT NAM muốn phát triển một cách vững
mạnh thì phải chú trọng đến việc đầu tư cho giáo dục. Trong đó, nghành giáo dục cần phải
nâng cao chất lượng lẫn số lượng đào tạo.
Muốn nâng cao chất lượng giáo dục đòi hỏi chúng ta phải đầu tư, phát triển các mô
hình dạy học. Mô hình dạy học giúp giảm chí phí đào tạo và nâng cao chất lượng giảng
dạy. Học sinh có dòp làm quen với các mô hình giống với các hệ thống điều khiển trong
thực tế, do đó có thể rút ngắn được khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế.
Do vậy các Trường học nói chung, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói riêng
đang đầu tư, phát triển các công cụ dạy học mang tính chất mô phỏng nhằm giúp cho sinh
viên lónh hội kiến thức một cách thấu đáo thông qua phương pháp trực quan. Qua đó,
người học có thể phát triển và vận dụng các kiến thức đã học một cách hiệu quả nhất theo
những yêu cầu cụ thể hiện nay trong những khu chế xuất, các nhà máy cũng như trong các
lónh vực có liên quan về điện.
Để đáp ứng phần nào nhu cầu trên, trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp, nhóm
thực hiện xin tiến hành đề tài : "THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN
TỬ CÔNG SUẤT". Mục đích của đề tài là xây dựng mô hình thí nghiệm giúp sinh viên
hiểu rõ hơn về các linh kiện bán dẫn công suất cũng như các ứng dụng của nó thông qua
việc tiến hành các thí nghiệm trên bộ thí nghiệm này. Đồng thời, trên cơ sở mô hình dụng
cụ dạy học, nhóm thực hiện cố gắng xây dựng các bài thực tập để sinh viên cũng cố lại
các bài học lý thuyết. Nội dung của mô hình là sử dụng các linh kiện điện tử công suất
như thyristor, diode … làm thay đổi điện áp một chiều để điều khiển tải dùng trong công
suất lớn. Trong thực tế kỹ thuật, đặc biệt là lónh vực điều khiển, vấn đề thay đổi điện áp
một chiều là một vấn đề thường gặp. Chúng ta cần thay đổi điện áp để điều khiển tốc độ
động cơ một chiều, điều khiển độ sáng của đèn điện .v.v… Khi nắm được các ứng dụng
trên, sinh viên sẽ thấy được tầm quan trọng trong bài học để có thể vận dụng chúng vào
thực tiễn sau khi học xong.
Với sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn Vũ Đỗ Cường, Nhóm thực hiện cố gắng

thực hiện tốt nhiệm vụ được giao. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, thời gian và kinh
phí thực hiện còn quá hạn hẹp nên nhóm thực hiện sẽ không tránh khỏi những nhầm lẫn
và thiếu sót, kính mong được sự góp ý của quý thầy cô cũng như các bạn sinh viên để đề
tài hoàn thiện hơn.




THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
PHẦN DẪN NHẬP
I. ĐẶT VẤN ĐỀ .
Như chúng ta đã biết, lónh vực Giáo Dục và Đào Tạo nói chung, Đào Tạo Kỹ Thuật
nói riêng, chất lượng đào tạo là vấn đề hàng đầu trong xu thế phát triển hiện nay. Ngoài
ra loài người đang bước sang niên kỷ mới chắc chắn cần thiết sản phẩm đào tạo có nhiều
chất xám. Muốn được vậy, Ngành Đào Tạo cần phải đầu tư những thiết bò dạy học, mô
hình dạy học phù hợp cho từng đối tượng đào tạo.
Đứng trước những yêu cầu thực tiễn trên, Nhóm sinh viên chúng em xin thực hiện đề
tài mô hình dạy học :’’BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ’’.
Mục đích của Nhóm thực hiện là xây dựng dụng cụ dạy học ,bài học thực tập cho
sinh viên của Khoa Điện. Qua đó giúp cho sinh viên hiểu rỏ về các linh kiện điện tử công
suất và các ứng dụng của nó.
II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .
Với đề tài mang tính thực tiễn ,vấn đề thực hiện việc thiết kế ,thi công và xây dựng
mô hình cũng như bài thực tập của nhóm hoàn chỉnh thật sự có những ứng dụng rộng rãi
trong các Trường Kỹ Thuật. Đó là điều mà nhóm thực hiện mong muốn đạt được.
Tuy nhiên thời gian, kiến thức có hạn cũng như những hạn chế khách quan khác nên
đề tài không đi sâu điều khiển động cơ một chiều bằng tất cả các phương pháp mà chỉ tập
trung điều khiển động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp. Đồng thời xây dụng một mô
hình dạy học sao cho vừa an toàn vừa đảm bảo đúng phương pháp sư phạm kỹ thuật.
Tóm lại nội dung thực hiện bao gồm ;

 Khảo sát mạch điều khiển điện áp bằng cách thay đổi độ rộng xung.
 Thiết kế và thi công mạch điều khiển điện áp một chiều bằng phương pháp
thay đổi biến đổi độ rộng xung.
 Thiết kế và thi công mô hình dạy học, xây dựng các bài thực tập dựa trên mô
hình.
Ngoài ra nhóm thực hiên chưa thực hiện mô hình điều khiển cho một đối tượng tải
bất kỳ bằng vòng kín để nâng hiệu quả trong ứng dụng thực tế.
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .
Việc vận dụng môn điện tử ứng dụng để điều chỉnh bằng phương pháp trên cho
động cơ một chiều là vấn đề không còn mới mẻ nhưng tính mới mẻ của đề tài được thể
hiện ở chổ :
XÂY DỰNG ĐƯC MÔ HÌNH DẠY HỌC SỬ DỤNG CÁC LINH KIỆN BÁN
DẪN CÔNG SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC QUAN GIÚP CHO SINH VIÊN
KHOA ĐIỆN THÍ NGHIỆM.







THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Bính
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội năm 1996
2. Phạm Quốc Hải
Dương Văn Nghi
PHÂN TÍCH VÀ GIẢI MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật

3. Nguyễn Việt Hùng
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ
Khoa Điện – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Năm 1998.
4. Bùi Đình Tiếu
Nguyễn Trọng Thuần
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ, ĐIỆN TỬ VÀ BÁN
DẪN TRONG MÁY SẢN XUẤT
Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật
5. Raymond M.Marston
Người Dòch : Ngô Đức Hoàng
110 MẠCH ỨNG DỤNG 0P –AMP
Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1990
6. R.H.Warring
SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHO NGƯỜI THIẾT KẾ MẠCH
Nhà Xuất Bản Thống Kê
7. Joseph Vithayathil
POWER ELECTRONICS Principles and Application
McGraw-Hill, Inc
C.J.SAVANT,Jr
MARTIN S.RODEN
GORDON L. CARPENTER
ELECTRONIC DESIGN

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM TẠ.
LỜI NÓI ĐẦU.
PHẦN DẪN NHẬP.

I. Đặt vấn đề. 1
II. Giới hạn vấn đề. 1
III. Mục đích nghiên cứu.
PHẦN CƠ SỞ LÝ LUẬN.
I. Thể thức nghiên cứu. 2
II. Cơ sở lý luận. 3
PHẦN NỘI DUNG
Chương I :GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT. 5

I. Diode. 5
II. Transistor. 7
III. Thyristor. 11
Chương II: KHẢO SÁT PHẦN ĐỘNG LỰC. 15
I. Giới thiệu về động cơ điện một chiều. 15
II. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều. 18
Chương III: KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BẰNG
CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG. 20
I. Bộ băm xung một chiều dùng SCR. 20
II. Bộ tạo xung kích cho SCR. 29
Chương IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH. 33
I. Thiết kế mạch. 33
II. Thi công mạch. 40
Chương V: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH. 42
I. Thiết kế. 42
II. Thi công. 44
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Chương VI: SOẠN BÀI THỰC TẬP. 46
I. Giới thiệu mô hình. 46
II. Các bài thí nghiệm. 46

KẾT LUẬN
MỤC LỤC













THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
I. Thể thức nghiên cứu:
1. Thời gian nghiên cứu:
Quá trình nghiên cứu đề tài được xem là một qui trình công nghệ hẳn hoi vì đòi hỏi
phải tiến hành theo các khâu kế tiếp nhau bao gồm việc chọn đề tài, biên soạn đề cương, thu
thập dữ kiện, xử lý dữ kiện, viết công trình nghiên cứu.
Luận văn tốt nghiệp được tiến hành thực hiện trong khoảng thời gian là 6 tuần :
Tuần 1 : Chọn đề tài, chính xác hóa đề tài, soạn đề cương, thu thập kiện và tài
liệu liên hệ.
Tuần 2 : Biên soạn nội dung phần lý thuyết.
Tuần 3 : Thiết kế mạch trên giấy và tiến hành thi công, thử mạch.
Tuần 4 : Thiết kế bàn thực tập.
Tuần 5 : Soạn bài thực tập cho mô hình đã thiết kế.
Tuần 6 : Hoàn chỉnh mô hình, hoàn thiện phần lý thuyết để in ấn và nộp luận văn.
2. Phương pháp thu thập dữ kiện :

Đây là giai đoạn quan trọng, sử dụng các phương pháp và phương tiện nghiên cứu để
thu thập các dữ kiện về đề tài đã xác đònh. Dữ kiện đã thu thập được sẽ là chất liệu để hình
thành công trình thực hiện đề tài. Vấn đề là làm sao thu thập được dữ kiện đầy đủ, chính xác,
và phù hợp với nội dung nghiên cứu.
Trong phạm vi luận văn này người nghiên cứu sử dụng phương pháp tham khảo tài liệu
để thu thập dữ kiện giải quyết đề tài. Việc tham khảo tài liệu giúp người thực hiện bổ sung
thêm kiến thức, lý luận cũng như phương pháp mà những công trình nghiên cứu trước đó đã
xây dựng. Nhờ đó người nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề còn tồn tại. Tuy nhiên việc
nghiên cứu tham khảo tài liệu luôn bảo đảm tính kế thừa và phát triển có chọn lọc.
3. Xử lý dữ kiện :
Các dữ kiện sau khi được thu thập chưa thể sử dụng được ngay mà phải qua quá trình
sàng lọc, sửa chữa, phân tích khái quát thành lý luận. Tài liệu được sử dụng là những tài liệu
có chất lượng cao chủ yếu là tài liệu gốc nên bảo đảm chính xác về nội dung đề cập.
4. Trình bày đồ án :
Đề tài tốt nghiệp được trình bày theo cấu trúc một tập đồ án tốt nghiệp để phù hợp với
nội dung và thời gian nghiên cứu đồng thời đáp ứng đúng yêu cầu về chương trình đào tạo
của trường.
Trình bày thành văn công trình nghiên cứu khoa học là giai đoạn hoàn thành nghiên
cứu, do đó không được xem đó là quá trình kỹ thuật mà là một quá trình sáng tạo sâu sắc.
Chính việc nắm vững bút pháp trong nghiên cứu khoa học giúp người nghiên cứu làm sáng tỏ
thêm những kết quả đạt được, phát triển chúng và có thêm những kiến thức mới.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

II. Cơ sở lý luận :
Đồ án tốt nghiệp thực chất là một quá trình nghiên cứu khoa học - quá trình nhận thức
và hành động. Quá trình này đòi hỏi phải có thời gian nhất đònh tương xứng với nội dung của
đối tượng nghiên cứu và tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu.
Việc nghiên cứu khoa học giúp ta tìm ra cái mới. Cái mới ở đây không những mang tính
chủ quan của người nghiên cứu mà còn mang tính khách quan đối với xã hội. Nghiên cứu
khoa học phải nhằm mục đích phục vụ xã hội, đáp ứng yêu cầu thực tiễn.

Hoạt động ngiên cứu khoa học muốn đạt kết quả tốt phải hội đủ các yếu tố :
Phương tiện, phương pháp, cơ sở vật chất, máy móc thiết bò, hình thức tổ chức. Các yếu
tố này có mối quan hệ hữu cơ và phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
CÁC CƠ SỞ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1. Kiến thức và năng lực người nghiên cứu :
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài người nghiên cứu cần phải cân nhắc kỹ
độ khó và độ phức tạp của đề tài sao cho phù hợp với khả năng, kiến thức và năng lực của
người nghiên cứu.
Độ phức tạp của đề tài thể hiện ở các mặt : lónh vực nghiên cứu rộng hay hẹp, ở một
ngành hay liên ngành, đối tượng nghiên cứu là đồng nhất hay không đồng nhất. Tuy nhiên
cần lưu ý rằng giá trò của đề tài không phụ thuộc vào độ phức tạp của nó. Đề tài hẹp chưa
hẳn là đề tài kém giá trò. Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có một phạm vi nhất đònh, phạm vi
này càng hẹp thì sự nghiên cứu càng sâu. Độ khó của đề tài nói lên tính vừa sức đối với
người nghiên cứu. Do đó độ phức tạp của đề tài thường có mối liên hệ tương hổ với độ khó
của nó.
Kiến thức của người nghiên cứu (đây là điều kiện chủ quan ở người nghiên cứu). Trước
hết đó là vốn liếng, kinh nghiệm của người nghiên cứu.
Giáo sư Hà Văn Tấn đã nhận xét : “Trình độ học sinh, sinh viên hiện nay không cho
phép họ ngay từ đầu chọn được đề tài nghiên cứu. Vì vậy phải có sự gợi ý của thầy cô
giáo….” . Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có những yêu cầu nhất đònh của nó. Người nghiên
cứu cần nắm vững nội dung, phương pháp nghiên cứu phù hợp với đề tài, nói khác đi đề tài
nghiên cứu phải mang tính vừa sức.
Người nghiên cứu phải thể hiện năng lực nghiên cứu khoa học bao gồm việc nắm vững
lý thuyết cơ bản của khoa học trong lónh vực nghiên cứu của mình, nắm được mức độ nhất
đònh về sự phát triển và tiến bộ thuộc lónh vực nghiên cứu. Có như thế mới chọn được đề tài
có giá trò. Trong tình hình tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay trên thế giới, khối lượng
thông tin khoa học gia tăng với qui mô lớn và nhòp độ nhanh đòi hỏi người nghiên cứu phải
tham khảo tài liệu nước ngoài. Để thực hiện được vấn đề này người nghiên cứu người nghiên
cứu khoa học cần có số vốn ngoại ngữ nhất đònh.
Thể hiện lòng ham mê khoa học và quyết tâm nghiên cứu tìm tòi chân lý.

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN


2. Vấn đề thực tiễn :
Người nghiên cứu phải coi thực tiễn làm cơ sở, là động lực của nhận thức. Ang - ghen
viết : “Khi xã hội có những yêu cầu kỹ thuật thì xã hội thúc đẩy khoa học hơn mười trường
đại học”. Mặt khác thực tiễn cũng là tiêu chuẩn để kiểm tra nhận thức .
Thực tế là những sự việc có thật, những tình hình cụ thể, những vấn đề đã hoặc chưa
được giải quyết trong cuộc sống. Người nghiên cứu với kinh nghiệm bản thân trong công tác
hàng ngày thường thấy được các mặt của vấn đề, các mối quan hệ phức tạp, các diễn biến,
phương hướng phát triển của sự vật từ đó có đònh hướng thích hợp giải quyết đề tài.
Chính thực tiễn giúp người nghiên cứu tìm thấy vấn đề một cách cụ thể. Người nghiên
cứu phải xem thực tiễn cao hơn nhận thức ( lý luận ) vì nó có ưu điểm không những có tính
phổ biến mà còn có tính hiện thực trực tiếp.Hồ Chủ Tòch cũng đã dạy : “Học tập thì theo
nguyên tắt: kinh nghiệm và thực tiễn phải đi cùng nhau”
Đề tài thực hiện mang tính thực tiễn, nội dung của đề tàilà có thật, phát triển từ thực tế
khách quan.
Có thể nói hầu như mọi công trình nghiên cứu điều có giá trò thực tế của nó, chỉ khác
nhau ở mức độ ít nhiều, phục vụ trước mắt hay lâu dài, gián tiếp hay trực tiếp.
3. Tác động của điều kiện khách quan đến việc thực hiện đề tài:
Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài người nghiên cứu là yếu tố chủ quan góp
phần quan trọng đến kết quả còn đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu kể cả
phương tiện ngiên cứu, thời gian nghiên cứu cùng những người cộng tác nghiên cứu và người
hướng dẫn nghiên cứu là những điều kiện khách quan ảnh hưởng trực tiếp đến việc nghiên
cứu và kết quả nghiên cứu. Người nghiên cứu càng nắm chắc các yếu tố khách quan đó bao
nhiêu thì kết quả nghiên cứu càng được khẳng đònh bấy nhiêu .
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
CHƯƠNG II : KHẢO SÁT PHẦN ĐỘNG LỰC.
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
Trong thời đại ngày nay, hầu hết các dây chuyền sản xuất đang dần dần được tự động hóa

bằng cách áp dụng các kỹ thuật tiên tiến của khoa học kỹ thuật. Tuy thế, động cơ điện một
chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì
vậy máy được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ
như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
1. Cấu tạo :
Động cơ điện một chiều gồm hai phần : Phần tónh (stator) và phần quay (rotor).
Phần tónh là phần đứng yên của máy. Nó thường bao gồm các bộ phận sau :
– Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường chính trong vỏ máy, gồm có lõi sắt cực
từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá
thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5  1 mm ép chặt lại với nhau.
– Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều giúp cho
máy điện làm việc không có tia lửa xảy ra giữa chổi điện và vành đổi chiều. Lõi
thép cực từ cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt
dây quấn.
– Gông từ : dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
– Các bộ phận khác như Nắp máy để bảo vệ, Cơ cấu chổi than.
Phần quay gồm có những bộ phận sau :
– Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày
0,5 mm được phủ lớp cách điện và ghép chặt lại với nhau.
– Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
– Các bộ phận khác như cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy, trục máy để đặt
lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều :
Động cơ điện một chiều là một thiết bò biến đổi năng lượng của dòng một chiều thành cơ
năng. Trong quá trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoay chiều bò tiêu tán do
các tổn thất trong mạch phần ứng và trong mạch kích thích. Phần còn lại là năng lượng được
biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ.
Khi cho dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ
sinh ra từ trường ở phần tónh. Từ trường này tác dụng tương hỗ lên dòng điện trong dây quấn

phần ứng tạo ra momen tác dụng lên rotor và làm rotor quay. Nhờ có vành đổi chiều nên
dòng điện một chiều được chỉnh lưu thành dòng xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng. Điều
này làm lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bò đổi chiều và làm động cơ
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
n
đm

n
đm

M
KK
R
K
U
n
MEE
2


quay theo một hướng.
Công suất ứng với momen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng
: P
đt
= M = E
ư
I
ư
Trong đó : M : momen điện từ.

60
2 n


 : tốc độ góc phần ứng.
I
ư
: dòng điện phần ứng
.

E
ư
: suất điện động phần ứng.
3. Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa hai thông số : tốc độ quay của trục và
momen do động cơ sinh ra trong quá trình làm việc ở trạng thái đònh mức. Đặc tính cơ cho
phép ta đánh giá khả năng chòu tải cũng như nắm được khả năng làm việc của động cơ khi
dùng để truyền tải. Đặc tính tốc độ (I) thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc với dòng điện
trong mạch chính của nó. Đặc tính tốc độ cho phép ta đánh giá khả năng chòu tải của động cơ
qua dòng điện của nó.
a. Sơ đồ cơ bản và các đặc tính của nó :

n n
n
0
n
0




0 M
đm
M
nm
M 0 I
ư.đm
I
ư.nm


b. Các phương trình cơ bản :
Phương trình đặc tính cơ :
I
Hình II.2
Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Hình II.1
Sơ đồ nguyên lý của mạch kích từ độc lập.
+
_
U

RKT
CKT
Rpư
M
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
U
Bộ điều chỉnh
điện áp
CKT
RKT
M
1
Phương trình đặc tính tốc độ :
Trong đó :
n : tốc độ quay của động cơ.
U : điện áp đặt vào động cơ.
R : tổng trở trên phần ứng.
I : dòng điện chạy trong phần ứng.
M : momen của động cơ.
 : từ thông dưới một cực từ chính.
K
E
: hệ số suất điện động phụ thuộc vào cấu tạo.
K
M
: hệ số momen của động cơ.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
n

n
0
TN
n1 U
đm

n
2
U
1

U
2

0 M
C
M


Việc điều chỉnh tốc độ theo kiểu này chỉ cho phép giảm điện áp (nhỏ hơn điện áp đònh
mức) và chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ đònh mức.
U
đm
> U
1
> U
2

n
0

> n
1
> n
2

Phương pháp điều chỉnh này có phạm vi điều chỉnh D = 10/1. Ưu điểm của phương pháp
này là giữ nguyên đặc tính của đường đặc tính cơ.
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách đưa thêm điện trở phụ vào phần ứng.

n
n
0


RKT
M
K1
K2K3
CKT
+
_
1
R
R
1

n
3

R

ư

n
2

I
K
R
K
U
n
EE


Hình II.3
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt trên phần
ứng.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN



0 M
c
M




Theo sơ đồ trên, ta có :
R

ư
< R
1
< R
2
.
n
0
> n
1
> n
2
> n
3
Khi điện trở phụ R càng lớn thì độ cứng của đường đặc tính cơ càng giảm và ngược lại.
Phương pháp này chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản vì chỉ thêm điện trở vào chứ không
giảm nhỏ hơn R
ư
được. Đồng thời, phương pháp này cho tốc độ điều chỉnh nhảy cấp, mức độ
nhảy cấp phụ thuộc vào số cấp khởi động.
3. Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông .
n
n
1

n
0

0 M
C
M


Với phương pháp này, ta chỉ có thể giảm từ thông do trong thiết kế I
kt
gần đònh mức,  gần
ở bảo hoà. Nếu tăng I
kt
,  cũng không tăng bao nhiêu. Nhưng khi giảm I
kt
,  giảm rất nhiều.
Khi giảm từ thông thấp hơn giá trò đònh mức, tốc độ động cơ tăng lớn hơn tốc độ cơ bản.

đm
> 
1
> 
2

n
cb
< n
1
< n
2
Khi giảm từ thông, tốc độ tăng lên rất cao và tốc độ này có thể làm hỏng động cơ, nên
thông thường người ta chỉ cho phép n
cb

= 3n
đm
.
4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng.

n


n
cb

n
1
TN
Rẽ mạch phần ứng
R
f
= R
nt

0 M
c
M

M
N

Hình II.5
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông.

Hình II.4
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở phụ.

_
RKT
CKT T
+
U
M
1
RKT
M
CKT
+
_
U
Rss Rnt
1
Hình II.6
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp rẽ mạch phần ứng.

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

Phương trình đặc tính cơ của phương pháp này :
M
KeKm
kRntRu
Ke
Udm
kn

2




Với :
RntRss
Rss
k


Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản, tổn
thất năng lượng thấp và điều chỉnh tốc độ nhảy cấp.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
CHƯƠNG III. KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP
BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG.
I. Bộ băm điện áp một chiều.
1. Giơi thiệu.
Bộ băm xung một chiều có thể coi như là bộ biến đổi DC/DC mà điện áp biến đổi được
đảm nhận bằng các linh kiện bán dẫn công suất. Nhiệm vụ chính của nó là thay đổi điện áp
ra theo yêu cầu điều chỉnh hoặc ổn đònh điện áp ra tải. Băm xung một chiều được sử dụng
nhiều trong các thiết bò như động cơ điện một chiều, các bộ phận nung đốt bằng diện trở, các
cơ cấu điện từ, mạch ổn áp dải rộng...Van thích hợp với băm xung một chiều là các loại mà
điều khiển được cả quá trình mở và khoá van, do đó thường dùng Transistor (lưởng cực,
MOSFET, IGBT). Khi cần công suất ra tải lớn (dòng điện và điện áp cao) ta phải dùng đến
Tiristor. Vì Tiristor là một linh kiện bán dẫn công suất có thể chòu được dòng điện qua nó rất
lớn và cho phép điện áp ngược đặt lên nó khá cao.
Để mạch băm xung hoạt động thì các phần tử đóng vai trò là van đóng mở phải được
điều khiển bằng các xung kích trong thời gian thích hợp. Trong hầu hết các linh kiện đóng mở
bán dẫn công suất, việc đóng cắt được thực hiện bằng cách đưa tín hiệu thích hợp vào chân

điều khiển. Đối với thyristor thì điều này không thể thực hiện được vì cực cổng chỉ có tác
dụng trong việc kích mở thyristor mà thôi. Để tắt thyristor khi đã dẫn trong nguồn DC, ta phải
thêm vào các phần tử chuyển mạch để có được các diều kiện tắt là đặt điện áp ngược trên hai
đầu thyristor hoặc làm cho dòng chạy qua nó bò triệt tiêu.
Bộ băm xung một chiều có thể chia thành ba loại cơ bản :
– Bộ băm có van mắc song song tải còn điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu song
song).
– Bộ băm đảo dòng.
Hai loại băm này có ưu điểm là cho điện áp ra trên tải lớn hơn điện áp nguồn nhưng nó
không thích hợp với tải có công suất lớn nên ít được sử dụng.
– Bộ băm có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu nối tiếp)
Bộ băm này chỉ cho điện áp ra nhỏ hơn điện áp nguồn nhưng có ưu điểm sử dụng được
cho tải có công suất cao, do đó nó thông dụng hơn.
Trong phạm vi cuốn đồ án này, người thực hiện chỉ đề cập đến bộ băm có van mắc nối
tiếp với tải. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc đóng – ngắt tải với nguồn theo chu kỳ :
trong một chu kỳ T (hình aa), khoảng thời gian t
o
cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng
ra tải, trong khoảng thời gian còn lại (T-t
o
) van hở, làm điện áp trên tải bằng không. Do đó
điện áp trung bình một chiều ra tải là:


R
EED
I
d
t



.

Trong đó D = t
o
/T là tỷ số chu kỳ của
bộ băm.
T

t
o


Hình III.1

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Theo biểu thức trên ta thấy để điều chỉnh được điện áp ra tải có thể thay đổi độc lập t
o
,
T hoặc đồøng thời cả hai tham số này, thông dụng nhất là phương pháp thay đổi t
o
trong khi
giữ chu kỳ Tcố đònh. Như vậy từ điện áp nguồn không đổi và liên tục, bằng cách “băm” nó ra
thành các xung, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra.
Để thiết kế hay khảo sát một bộ băm xung, người ta thường quan tâm đến các chế độ
dòng điện. Theo nguyên lý hoạt động, trong khoảng thời gian van khóa, nguồn bò ngắt khỏi
tải, tuy nhiên do tải có tính điện cảm nên dòng điện tải vẫn tiếp tục chảy quẩn qua điôt D
2

nhờ năng lượng tích lũy ở điện cảm này. Căn cứ vào các tham số R, L, E

d
(sức điện động bên
trong tải) và khoảng thời gian ngắt nguồn (T-t
o
) mà dòng điện tải có thể tồn tại đến khi van
dẫn trở lại (gọi là chế độ dòng điện liên tục ) hoặc sẽ tắt trước đó (chế độ dòng điện gián
đoạn).
Để biết được mạch hiện có đang làm việc ở chế độ dòng điện nào cần dựa theo một
trong các điều kiện giới hạn giữa hai chế độ này như sau :
a. Theo thời gian van dẫn t
gh
:







 )1(1ln
R
L
T
d
gh
e
E
E
R
L

t


Nếu thời gian van dẫn thực tế t
o
< t
gh
, thì dòng điện gián đoạn, ngược lại t
o
> t
gh
, dòng
điện sẽ liên tục.
b. Theo trò số trung bình dòng điện tải giới hạn I
gh
:

0
.
1
.
1
1
1
1
,
);
1
1
.(

t
L
R
T
L
R
gh
ebea
a
b
aD
R
E
I






Nếu dòng thực của tải I
t
< I
gh
, dòng điện là gián đoạn còn I
t
> I
gh
, dòng điện là liên tục.
c. Theo trò số của sức điện động E

d
:

1
1
1
1
1
.
a
b
aEE
dgh




Nếu E
d
> E
dgh
thì dòng điện gián đoạn.
Nếu E
d
< E
dgh
thì dòng điện liên tục.
Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện liên tục :
Điện áp trung bình ra tải :

U
t
= D.E

Dòng điện trung bình qua tải :
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN

R
EED
I
d
t


.


Các dạng sóng thể hiện như sau :





u
t


E

0 t

o
T (T+t
o
) 2T t

i
t

Imax

Imin
0 t
i
T




Imin
0 t








Qui luật biến thiên dòng điện tải i
t

:
Giai đoạn từ 0 đến t
0
:
t
L
R
d
e
a
ba
R
E
R
EE
ti
.
1
11
1
1
1.
)(







Giai đoạn từ t
0
đến T:
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
.
1
1
2
1
1
)(
t
L
R
d
e
a
b
R
E
E
R
tt






Giá trò cực đại dòng tải Imax:
)(
1
1
)0(
1
1
1
2max
R
E
a
b
R
E
tiI
d






Giá trò cực tiểu dòng điện tải I
min
:
R
E
a
aba

R
E
tiI
d




1
111
1min
1
.
)0(
Độ đập mạch dòng điện tải

I:
1
11
1
1
1
).1)(1(
a
bab
R
E
I






Trò số trung bình của dòng điện qua điôt:
)1(
)1(
).1)(1(
0
1
11
1
1
T
t
R
E
aTR
babL
R
E
I
d
D






Trò số ûtrung bình dòng điện qua van :
TR
Et
a
bab
TR
L
T
t
R
E
I
d
V
.
1
).1)(1(
.
.
0
1
11
1
1
0













Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện gián đoạn :
Đồ thò làm việc của chế độ này như hình vẽ sau đây:

u
t

E E
d
E

0 t
o
T t

i
t
i
n


I
max

0 t

i
T
t
o



0 t






THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Điện áp trung bình ra tải :
)1(
0
T
t
EE
T
t
U
n
dt

Trong đó t

n
là khoảng thời gian dòng điện tải còn tiếp tục chảy kể từ khi ngắt nguồn E
khỏi tải và được xác đònh theo biểu thức sau:










)1(1ln
1
1
b
E
EE
R
L
t
d
d
n

Dòng điện trung bình qua tải :
R
EU
I

dt
t


Quy luật biến thiên dòng điện tải i
t
:
Giai đoạn từ 0 đến t
0
:

)1()(
...
1
t
L
R
d
e
R
EE
tt





Giai đoạn từ t
o
đến T (hay đến t

n
) :

t
L
R
d
t
L
R
d
eb
R
EE
e
R
E
ti
.
1
1
.
2
)1()1()(







Giá trò cực đại dòng tải I
max
:

)1(
1
1max



 b
R
EE
I
d

giá trò dòng điện cực tiểu I
min
tất nhiên bằng không.
2. Giới thiệu bộ băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp.





Hình III.6

a. Vai trò của các linh kiện trong mạch (hình III.6) :
S
1
là SCR chính có nhiệm vụ nối hoặc ngắt nguồn với tải.
XK1 : mạch kích cho SCR1.
S
2
là SCR phụ, tham gia vào việc ngắt (khoá) S
1
.
XK2 : mạch kích cho SCR2.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
LC làm nhiệm vụ dao động, D
1
ngăn dòng điện ngược, D
2
bảo vệ cho mạch khi S1
ngắt.
b. Nguyên lý hoạt động của mạch :
Giả sử các SCR (S1, S2) đều lý tưởng và các linh kiện trong mạch không có tổn hao.
Khi nguồn một chiều E đã được cấp, trạng thái ban đầu : S1 và S2 đều bò khoá (tức chưa có
xung kích ở cực cổng) thì không có bất kỳ một dòng điện nào chạy qua tải. Để mạch hoạt
động một cách hợp lý thì đầu tiên cho tụ C nạp bàng cách cho xung điều khiển vào cực cổng
của S2, lúc này mạch điện hình III.6 tương đương như hình III.a : tụ điện C sẽ được nạp theo
đường E_ Rt _ C _ S2 _E và dòng i
c
giảm dần theo hàm mũ từ giá trò đầu E/Rt .

Sau một khoảng thời gian, tụ C được nạp tới điện áp E của nguồn, nhưng thực tế khi dòng
điện tải giảm dưới mức duy trì của S2 thì dòng điện ngưng.
Khi có xung điều khiển vào cực cổng của S1, làm S1 đóng mạch như hình III.b, lúc này
tụ C phóng điện qua S1 - L –D1 – C và được nạp ngược lại. Điện áp trên tụ tăng dần theo
chiều ngược lại và cuối cùng, diện áp trên nó sẽ là u
c
= -E do có sự xuất hiện dao động LC.
Dao động LC trong mạch sẽ nạp vào tụ C và nó chỉ kéo dài trong một nửa chu kỳ (vì D1 ngăn
dòng điện ngược).
Lúc này nếu cho xung để mở S2, thì S1 sẽ chòu điện áp ngược u
c
= -E làm S1 ngưng dẫn
(trạng thái chuyển từ hình III.b hình III.a).
Gọi chu kỳ băm là T: T = T
1
+T
2
.
Thời gian đóng mạch của S
1
là T
1

: T
1
= T.
Thời gian ngắt mạch của S
1
là T
2
=T –T
1
và tỷ số chu kỳ là D = T
1
/T.
Gía trò trung bình của điện áp tải :
DUUdt
T
U
DT
t


0
1


Bằng cách làm biến đổi tỷ số chu kỳ D (trong khi giữ cho tần số không đổi T=const) ta
có thể điều chỉnh được giá trò trung bình của điện áp một chiều đặt trên tải.
 Trường hợp tải là R+L :
2
2
1

c
LiW 

Tải trở kháng tích luỹ một năng lượng điện từ :
Khi dòng i
c
tăng trưởng, D
2
có thể hoàn trả năng lượng. D
2
đấu song song ngược với
mạch tải để tạo đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói trên, khi dòng i
c
giảm.
Hình IIIA
Hình IIIb
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Lúc đầu dòng tải i
c
= 0, dòng i
c
được xác lập dần dần. Qua một vài chu kỳ dòng i
c
sẽ
biến động giữa hai giá trò I
1
và I
2
.

E i
I
2

E I
1

0 T
1
T
2

pha quá độ t 0 T t

Ký hiệu bộ băm điện áp là: Đ
ERi
dt
di
L
c
c


Khi Đ đóng ta có phương trình :

0
c
c
Ri
dt

di
L

Còn khi Đ mở ta có :
3. Giới thiệu về việc băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng dòng điện.











Hình IIIC
a. Chức năng của các phần tử trong mạch :
Hình trên thể hiện mạch băm xung dùng SCR có phần tắt cưỡng bức. Ngõ vào là điện
áp DC kí hiệu là E, điện trở tải là R
t
. Phần tử đóng mở chính của mạch là S1 và việc kích
mở nó được thực hiện bởi xung kích XK1. Để khoá cho S1, ta dùng mạch khoá cưỡng bức
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
bằng gồm năm phần tử mắc vào hai đầu anode và cathode của S1. Trong đó hai diode D1, D2
và R đóng vai trò hổ trợ trong việc chuyển mạch, hai phần tử chuyển mạch là L và C tạo
thành mạch dao động và S2 là SCR phụ mà việc kích mở nó được thực hiện bằng xung kích
XK2. Diode D3 làm nhiệm vụ bảo vệ cho tải khi S1 ngắt.
b. Nguyên lý hoạt động của mạch :
Trước hết ta giả sử rằng các SCR S1, S2 và các diode D1, D2 không dẫn điện, có nghóa

là không có dòng điện qua tải. Trong khoảng thời gian này, tụ điện C được nạp đến giá trò
điện áp Vco thông qua điện trở R (hình III11).












Sau khi tụ C được nạp đầy, ta có thể đưa xung kích vào S1 để nối tải với nguồn và sơ đồ
mạch điện có thể vẽ lại như hình III.12. Lúc này điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trò đã
được nạp và điện áp trên tải là E.









Nếu muốn khoá SCR S1, ta đưa xung kích vào S2. Lúc này tụ điện C sẽ phóng điện qua
S2, L và về lại C và mạch điện có thể vẽ lại như hình III.13. Dòng i
c
xã qua cuộn cảm L tạo

nên sự dao động. Nữa chu kỳ đầu, dòng dao động này chạy qua S2 và nạp ngược lại cho tụ C.
Đến nữa chu kỳ sau, khi tụ đã nạp đầy theo chiều ngược lại như hình III.14, S2 ngắt và dòng
bắt đầu chạy ngược lại qua S1. Khi dòng qua S1 bò triệt tiêu, thì S1 ngắt và dòng tiếp tục chạy
qua diode D2 mắc song song ngược chiều với S1 để duy trì thời gian tắt cho S1 và mạch được
vẽ lại như hình III15. Sau khi S1 và S2 đều ngắt thì dòng dao động sẽ chạy qua diode D1
xuống mass như ở hình III16 và tụ điện bắt đầu nạp ngược lại như giá trò ban đầu, bắt đầu
cho chu kỳ tiếp theo.


Hình III11
Hình III12
Hình III.13
Hình III.14
I
c

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN










II. Bộ tạo xung kích cho SCR :
1. Nhiệm vụ của mạch tạo xung kích.
Như ta đã biết, SCR khi đã dẫn thì không thể tắt được bằng xung kích mà cần phải có

một bộ phận làm cho nó tắt. Bộ phận này phải thoả mãn một trong các yêu cầu tắt của SCR.
Như đã khảo sát ở phần trên, bộ băm xung một chiều dùng hai linh kiện SCR, một con chính
để nối tải với nguồn và một con phụ để làm tắt nó. Do vậy, mạch tạo xung kích cho SCR phải
tạo được hai xung kích và các xung kích này đủ lớn để đảm bảo kích mở được SCR. Đồng
thời, thời gian xuất hiện giữa hai xung kích này có thể điều chỉnh được và dạng sóng trên tải
phụ thuộc vào hai xung kích này.
2. Sơ đồ khối :





















Bộ phận tạo sóng tam giác nhằm mục đích làm tín hiệu so sánh cho bộ tạo xung vuông có
Khối nguồn

Bộ phận xuất
xung điều khiển
Bộ phận tạo
sóng tam giác
Bộ tạo xung
vuông có điều
chỉnh
Mạch đơn ổn đặt
trước độ rộng xung
Bộ dao động tần
số cao
Bộ phận trộn tín
hiệu
Bộ phận đảo
xung
Mạch đơn ổn đặt
trước độ rộng xung
Hình III.17
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
độ rộng thay đổi được. Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn
ổn, một đi thẳng đến mạch đơn ổn khác để hình thành hai xung kích. Xung đi ra từ hai mạch
đơn ổn được trộn với xung có tần số cao do bộ dao động đưa đến. Bộ dao động tần số cao có
chức năng tăng khả năng kích cho các xung kích, đảm bảo kích được các SCR. Sau đó, các
xung này được đưa ra bộ phận xuất xung điều khiển đi đến cực cổng của SCR.
3. sơ đồ mạch điện :

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV

TRANG : 33



Hình III.18
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV


TRANG : 34

4. Nguyên lý hoạt động của mạch :
Đầu tiên, bộ dao động tạo sóng tam giác do hai IC 741a và 741b đảm nhận. Bộ dao động
này tạo ra tần số chủ yếu cho bộ băm xung một chiều. Tần số sóng tam giác do R1, R2,
R3
và C1 quyết đònh. Sóng tam giác này được đưa đến ngõ vào đảo của 741c, còn ngõ vào
không đảo được nối ra chân giữa của biến trở VR. Xung vuông ở ngõ ra có thể thay đổi
được độ rộng xung khi thay đổi biến trở VR do thay đổi mức so sánh với sóng tam giác.
Xung vuông này được chia làm hai đường : đường thứ nhất đi qua một cổng đảo và đường
còn lại đi qua hai cổng đảo để sửa dạng xung rồi đi đến hai ngỏ kích của mạch đơn ổn để
tạo ra xung có độ rộng xung không thay đổi. Độ rộng xung của mạch đơn ổn có thể đặt
trước sao cho nó đủ để kích SCR. Mạch đơn ổn do hai IC AN555a và AN555b thực hiện.
Ngõ ra của chúng sẽ được trộn với mạch dao động tần số cao thực hiện bởi IC AN555c để
cho xung kích là một tập hợp của một chùm xung, làm tăng khả năng kích cho SCR. Các
xung này sẽ được đưa qua OPTO nhằm cách ly mạch tạo xung kích với ngyuồn điện thế
cao khi đưa vào cực cổng của SCR.

u
v
(ngỏ vào chân số 3)

+v

0 t
_ v
u
r
(ngỏ vào chân số 2)
+v

0 t
o
t
_ v

Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26B
Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26A
t
t
0
0
+V
+V
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN