Đo và điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, hiển thị tốc độ ra màn hình LCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh của các
lĩnh vực khoa học, việc ứng dụng công nghệ bán dẫn vào bộ điều khiển các dàn
máy công nghiệp đã dần dần thay thế các loại relay tiếp điểm cổ điển trước đây và
mang lại nhiều thành tựu to lớn. Đặc biệt lĩnh vực tự động hóa đang có vai trò quan
trọng trong trong mọi lĩnh vực cuộc sống, nó mang lại nhiều lợi ích cho con người
như tăng năng suất lao động, giảm thiểu tối đa lượng công nhân phải làm việc trong
môi trường lao động độc hại.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong phần lớn các nhà máy xí nghiệp, cũng như phân xưởng đều có sự góp
mặt của Tự Động Hóa, trong các dây truyền công nghiệpMỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
PHẦN 1. PHẦN DẪN NHẬP
1. Đặt Vấn Đề.
2. Giới Hạn Nghiên Cứu.
3. Mục Đích Nghiên Cứu.
PHẦN 2. NỘI DUNG THỰC HIỆN.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.
1. Những Vấn Đề Cơ Bản Về Điện Tử Công Suất.
2. Phạm Vi Ứng Dụng.

II. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN.
1. DIODE.
2. TRANSISTOR.
3. THYRISTOR.
4. Kết Luận.
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MẠCH ĐỘNG LỰC.
I. Giới Thiệu Động Cơ Điện Một Chiều Và Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ
1. Động Cơ Điện Kích Từ Song Song.
2. Động Cơ Điện Kích Từ Nối Tiếp.
3. Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Tổng Hợp.
4. Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Một Chiều.
II. Giới Thiệu Các Phương Pháp Đo Tốc Độ.
1. Dùng Phương Pháp Đo Bằng Cơ.
2. Dùng Phương Pháp Đo Bằng Cảm Biến.
III: Kết Luận.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ ĐO TỐC .
I. Thiết Kế Mạch điều khiển Thyristor SCR.
1. Tính Toán, Thiết Kế Mạch Nguyên Lý.
2. Lựa Chọn Linh Kiện Mạch Điều Khiển.
II. Thiết Kế Mạch Kích Cho Transistor Công Suất (Tip 41) Sử Dụng Vi Điều Khiển AT89C51
Và Bộ Đo Tốc Độ.
1. Thiết kế phần Cứng.
2. Thiết kế phần mềm.
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BO MẠCH PCB, MÔ HÌNH ĐỒ ÁN
I. Thiết Kế Bo Mạch PCB.
II. Thiết kế Mô Hình Đồ Án.
CHƯƠNG 5. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐÃ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN.
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh

Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN 1. PHẦN DẪN NHẬP
1. Đặt Vấn Đề.
Việc chọn đồ án tốp nghiệp mang một ý nghĩa quan trọng đối với mỗi sinh viên
chuyên ngành Kĩ Thuật nói chung và chuyên ngành Công Nghệ Tự Động nói riêng. Đồ
Án được lựa chọn sao cho phù hợp với trình độ của mỗi sinh viên mà vẫn phải đảm bảo
bao gồm khái quát chung nhất về những kiến thức đã học tại trường. Với chuyên ngành
Tự Động Hóa những môn học được coi là mang tính thiết yếu phải kể đến như: Điện Tử
Tương Tự, Điện Tử Công Suất, Kĩ Thuật Lập Trình VĐK 8501, PLC, Máy Điện …
Từ những phân tích trên mà nhóm chúng em xin đề xuất mô hình đồ án tốt nghiệp:
ĐO VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ BẰNG NAM
CHÂM VĨNH CỬU, HIỂN THỊ TỐC ĐỘ RA MÀN HÌNH LCD.
Dựa trên những kiến thức đã học, mô hình do nhóm em đề xuất hoàn toàn có thể
đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra.
2. Giới Hạn Nghiên Cứu.
Mô hình mang ngiên cứu mang tính thực tiễn, việc thi công xây dựng và lắp đặt
mô hình hoàn chỉnh có ứng dụng và mang tính thực tế cao. Đó là mong muốn của nhóm
em khi xây dựng mô hình này.
Tuy nhiên với lượng thời gian và kiến thức có hạn, cũng như các hạn chế khách
quan khác nên đề tài của nhóm không thể đi sâu vào từng phương pháp điều khiển tốc độ
động cơ được mà chỉ dừng lại tại phương pháp điều chỉnh động cơ bằng phương pháp
thay đổi độ rộng xung và phương pháp điều áp soay chiều một pha... hay nói gọn lại là
phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp.
Dưới đây là những công việc chính mà nhóm chúng em thực hiện khi xây dựng mô

hình.
-

Khảo sát mạch điều khiển tốc độ bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung
và phương pháp điều áp soay chiều một pha.
Thiết kế và thi công mô hình trên lý thuyết( tính toán và lụa chọn linh kiện).
Thiết và thi công mô hình thực tế.

3. Mục Đích Nghiên Cứu.
Việc sử dụng môn học điện tử ứng dụng để xây dựng mô hình không còn là hình
thức mới mẻ, song điều mới mẻ mà nhóm em hướng tới ở đây là: “ Giúp các bạn sinh
viên có cái nhìn tổng quan hơn về điện tử ứng dụng và biết vận dụng những kiến thức đã
học trong nhà trường để ứng dụng vào thực tê!”

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHẦN 2. NỘI DUNG THỰC HIỆN.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.
Điện năng là nguồn năng lượng sản xuất trực tiếp và có ứng dụng rộng dãi hiện
nay. Nhưng trong thực tế chúng ta sử dụng nguồn điện chuẩn là lưới điện xoay chiều
220V/380V – 50Hz. Mặt khác trong công nghiệp, các thiết bị sản xuất lại sử dụng các loại
năng lượng điện khác nhau, có loại sử dụng điện một chiều, có loại sử dụng điện xoay
chiều với các cấp điện áp khác nhau và tần số khác nhau. Và đặc biệt, để điều khiển hoạt
động của các thiết bị đó ta cần điều khiển nguồn năng điện cấp cho nó. Vì vậy, biến đổi và

điều khiển năng lượng điện là nhiệm vụ hàng đầu tiên phong trong tự động hóa sản xuất.
Trước đây việc biến đổi và điều khiển năng lượng điện trong công nghiệp chủ yếu
sử dụng các relay (rơ le), dựa vào việc đóng mở các tiếp điểm của relay mà có nguồn điện
mong muốn. Tuy nhiên, yêu cầu thực tiễn ngày càng cao của sản xuất cùng với sự phát
triển không ngừng của khoa học kĩ thuật công ngệ bán dẫn đã cho phép chế tạo được các
van bán dẫn (không tiếp điểm) công suất lớn nhằm thay thế các mạch relay tiếp điểm
trước đây. Vì đó mà ngành ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT RA ĐỜI!
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT.
1. Những khái niệm chung về điện tử công suất.
a. Khái niệm
Điện tử công suất: công nghệ chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện từ dạng
này sang dạng khác nhờ ứng dụng các linh kiện bán dẫn có công suất lơn.
Công suất điện tử: Trong một lĩnh vực rộng lớn của kĩ thuật điện công suất suất
điện tử có thể coi là tổ hợp của ba lĩnh vưc: công suất điện tử, điện tử, điều khiển. Công
suất điện tử với các ứng dụng của các dụng cụ nửa dẫn công suất như Thyristor và bán
dẫn cho sự biến đổi điều khiển năng lượng điện tại các mức công suất cao, sự biến đổi
này thông thường là từ AC thành DC trong đó thông số điều khiển là điện áp, dòng điện
hay tần số.

Hình 1: Mô Tả Công Suất Điện Tử.
b.Đặc điểm linh kiện điện tử công suất:
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

+ Phát triển công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn có công suất lơn.

+ Là thành phần cơ bản của các bộ biến đổi công suất tĩnh.
+ Có hai chế độ làm việc: Làm việc ở chế độ đóng, Cắt.
+ Có ưu điểm lớn hơn rất nhiều so với khóa cơ học về độ bền vững, độ chính xác
và thời gian đóng cắt.
+ Thông số điều khiển là: Dòng điện, Điện áp, Tần số và tín hiệu sóng.
c. Phân loại khóa công suất:
- Theo đặc tuyến điều khiển thì được chia làm hai loại
+ Không điều khiển được đặc tuyến đóng cắt ( VD: Diode công Suất).
+ Điều Khiển được trạng thái đóng cắt bằng tín hiệu điều khiển : (VD:
Tranzitor, Thyristor,triac…).
- Theo chiều dòng điện chạy qua: chia làm hai loại:
+ Một chiều: Diode, BJT, IGBT,SRC, GTO: dẫn điện theo một chiều.
+ Hai chiều: MOSFET, SRC dẫn ngược, Diac, Triac: dẫn điện theo hai
chiều.
- Theo khả năng khóa áp ngược ở trị số cao: Chia làm hai loại:
+ Có khả năng: Diode, Thyristor, GTO, Triac
+ Không có khả năng: BJT, IGBT.
- Theo tín hiệu điều khiển: chia làm hai loại:
+ Tín hiệu liên tục: BJT, IGBT, MOSFET: Muốn duy trì trạng thái đóng
phải duy trì tín hiệu điệu khiển trong suốt khoảng thời gian này.
+ Tín Hiệu xung: SRC, GTO, Triac: Tín hiệu mở là dạng xung hẹp, khi kích
mở có thể không cần duy trì tín hiệu điều khiển cho đến khi khóa tự đóng
nếu thỏa mãn điều kiện đóng.
- Phân loại theo các bộ biến đổi: chia làm 5 loại chính.
+ Bộ chỉnh lưu: AC/DC :Biến đổi năng lượng từ dạng xoay chiều thành một
chiều có thể điều khiển được.
+ Bộ biến đổi điện áp một chiều: DC/DC: Biến đổi điện áp một chiều với
đầu vào là cố định đầu ra có thể điều khiển được.
+ Bộ biến đổi điện áp xoay chiều: AC/AC: Biến đổi điện áp xoay chiều với
đầu vào cố định đầu ra có thể điều khiển được.

+ Bộ nghịch lưu: DC/AC : Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay
chiều.
+ Bộ biến tần: AC/AC hoặc: AC/DC/AC: biến đổi điện áp đầu vào với tần
số không đổi ở đầu ra tần số có thể thay đổi( Điều chỉnh được).

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2. Phạm Vi Ứng Dụng.
Điện tử công suất được ứng dụng rỗng rãi trong hầu hết các lĩnh vực có liên quan
đến biến đổi và điều khiển công suất điện. Hệ thống công suất điện được dùng rộng rãi
trong các thiết bị công nghiệp và trong dân dụng,từ các động cơ có công suất nhỏ dưới
một mã lực dùng trong các dụng cụ dân dụng đến các động có có công suất vài trăm mã
lực dùng trong công nghiệp. Từ điều chỉnh công suất động cơ một chiều thấp cung cấp
đến hệ thống chuyền tải động cơ cao áp nhiều hơn một ngàn Megawott, từ các hệ thống
điều chỉnh ánh sáng công suất thấp đến các cơ cấu bù tĩnh AVR công suất hàng trăm
Megawatt trong cac hệ thống công nghiệp.
Dưới đây là một vài phạm vi ứng dụng của điện tử công suất:
Bảng1: Một vài ứng dụng của điện tử công suất.
STT Chuyển đổi công suất

1
2

Chỉnh lưu không điều

khiển
Chỉnh lưu có điều
khiển

3

Mach băm DC

4

Điều khiển điện AC

5

Mạch đổi điện

6

Mạch đổi điện chu kỳ

7

Chuyển mạch tĩnh
học

Các ứng dụng
Cung cấp nguồn một chiều cho các mạch điện tử.
- Điều khiển tốc độ động cơ DC từ nguồn AC.
- Điều khiển tốc độ của các dụng cụ công suất xách tay.
- Truyền tải dòng DC cao áp.

- Điều khiển tốc độ động cơ DC từ nguồn DC.
- Chuyển mạch DC cung cấp.
- Chuyển mạch dụng cụ điều chỉnh ánh sáng.
- Điều khiển nhiệt độ.
- Điều khiển tốc độ các dụng cụ gia dụng.
- Làm êm khởi động của các động cơ cảm ứng.
- phản ứng công suất điều khiển.
-Cung cấp công suất liên tục (UPS).
- Điều khiển tốc độ động cơ ba pha.
- Cảm ứng nhiệt.
- Điều khiển tốc độ động cơ AC.
- Nguồn tần số không đổi cho máy bay.
Thay thế chuyể mạch cơ khí và điện tử.

II. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN.
Để thực hiện việc đóng cắt điện tử bằng các van bán dẫn công suất ta có thể sử
dụng nhiều linh kiện hay nhóm linh kiện bán dẫn công suất chịu được áp cao dòng lớn và
quan trọng nhất phải thỏa mãn được hai chế độ:
- Dẫn điện (ON): Độ sụt áp qua kênh dẫn bé, dòng điện phụ thuộc vào dòng tải.
- Khóa (OFF): Dòng qua nó rất bé (≈0), kênh dẫn điện coi như là hở mạch.
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Các loại van bán dẫn chính phải kể đến như là: Diode, Thyristor, Transistor…
ngoài ra còn một số loại thông dụng như: Mosfet, Triac, Diac, GTO, IGBT… Sau đây là

phần giới thiệu về 3 linh kiện bán dẫn chính: DIODE, TRANSISTOR, THYRISTOR.
1. DIODE.
a. Cấu tạo và đặc điểm:

Hình 2: Diode Công Suất
a)Cấu trúc bán dẫn
b)Ký hiệu
c)các dạng vỏ của diode
Cấu tạo:
Diode có cấu tạo đơn giản, bao gồm: Một lớp chuyển tiếp P-N, bên ngoài có gắn 2
điện cực. Cực Anode nối với lớp P, Cực Cathode nối với lớp N.
Đặc điểm:
- Đây là loại linh kiện không điều khiển được.
VAK

- Quá trình đóng ngắt:
> 0, (Điện áp Anode dương hơn điện áp Cathode) thì
Diode dẫn(Đóng), ngược lại diode khóa (Ngắt).
- Tiếp diện của phiến bán dẫn Si quyết đinh đến khả năng chịu đòn của Diode.
- Điện trở của nguyên liệu ban đầu (VD: phiến bán dẫn loại N) và chiều dày quyết
định đến khả năng chịu áp của Diode.
- Một số tham số cơ Bản:
+ Khả năng điều khiển dòng điện ( vài A đến kA).
+ Khả năng điều khiển điện áp ( vài chục V đến kV).

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

+ Thời gian phục hồi tính nghịch: Thời gian cần thiết để Diode phục hồi khả
năng chịu áp khóa khi quá trình dẫn thuận chấm dứt chia làm hai loại: Thời gian
phục hồi nhanh: được sử dụng trong các mạch có tần số cao; Thời gian phục hồi
chậm: Được sử dụng trong các mạch có tần số thấp, chủ yếu là trong công nghiệp.
b. Đặc tuyến vôn- ample (V - A) và đặc điểm đóng ngắt:
Đặc Tuyến V – A

Hình 3: Đặc tuyến V – A của Diode.
Các tham số chính:
U TO
U BR

: Điện áp đóng Diode ( Turn - On).
: Điện áp ngược đánh thủng lớp PN ( Break - Down).

Rf =

dUf
d If

: Điện trở vi phân thuận.
d
Rr = Ur
d Ir

: Điện trở vi phân nghịch.

Đặc điểm đóng ngắt:
Khi Diode dẫn nó tương đương với một công tắc đóng, Điện áp rơi trên linh kiện
nhỏ dòng thuận qua linh kiện lớn.
Khi Diode ngắt nó tương đương với một công tắc ngắt. Điện áp khóa lớn, dòng rò
qua linh kiện rất bé.
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ưu điểm chính của Diode:
Có khả năng chịu áp tải và dòng tải lớn, Có thể gép nối tiếp các Diode để tăng
khả năng khóa áp, hay gép song song để tăng khả năng chịu dòng tải. Và được ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp với các thiết bị yêu cầu tần số đóng ngắt cao, ngoài ra còn
được ứng dụng trong các mạch sử dụng điện áp thấp để chỉnh lưu…
2. TRANSISTOR.
a. Cấu tạo – đặc điểm:

Hình 4: Cấu tạo của Transistor.

a: Cấu trúc bán dẫn.
b: Kí hiệu.
c: Hình dáng bên ngoài.
Cấu Tạo:
Transistor có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn gép với nhau tạo thành hai lớp bán dẫn
P-N, gép theo kiểu P-N-P ta được Transistor thuận, còn gép theo kiểu N-P-N ta được
Transistor ngược. còn về phương diện cấu tạo có thể coi như Transistor bao gồm hai
Diode nối ngược chiều nhau tạo lên.
Ba lớp bán dẫn được gép với nhau tạo thành ba cực. Lớp giữa gọi là cực gốc, kí
hiệu là B (base) lớp B rất mỏng có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bên ngoài được nối
thành cực phát (Emitter) viết tắt là E và cực thu (Collecter) ký hiệu là C. Vùng bán dẫn C
và E có cùng loại bán dẫn N hoặc P nhưng kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau lên
không thể hoán đổi cho nhau được.
Đặc điểm của Transistor:
+ Transistor làm việc như một khóa đóng cắt bán dẫn được sử dụng trong điện tử
công suất lên Transistor chỉ làm việc ở chế độ đóng và ngắt.
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

+ Transistor được đinh mức tới 1200V – 400A, và chúng thường được sử dụng
trong các bộ biến đổi vận hành có tần số tới 10kHz. Transistor có công suất đinh mức cao
hơn MOSFET
+ Không có khả năng khóa áp ngược ở trị số lớn → Chuyên dùng để khóa áp thuận
(Vce > 0)
+ Transistor là loại linh kiện điều khiển bằng dòng, Có hệ số khuếc đại thấp,

thường nhỏ hơn 20 ( < 20)
H FE =

IC
IB

,(

H FE

< 20)

b: Đặc tuyến Vol – Ampe ( V - A ).

Hình 5: Đặc tuyến Vol – Ampe Của Transistor.
- Đặc tuyến V – A Biểu thị mối quan hệ giữa dòng trên cực Collector Vào áp giữa
hai cực công suất Vce phụ thuộc tham số điều khiển là dòng Ib
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Hai vùng làm việc ứng với trạng thái đóng ngắt của Transistor: Vùng ngắt và
vùng bão hòa.
c: Thông số kĩ thuật và kí hiệu của Transistor.
Thông số kĩ thuật.
+ Dòng điện cực đại: Là dòng điện giới hạn của Transistor, nếu vượt quá giá trị này

Transistor sẽ bị hỏng.
+ Điện áp cực đại: Là điện áp cực đại đặt vào cực CE, nếu vượt quá giá trị này
Transistor sẽ bị đánh thủng ( Hỏng).
+ Tần số cắt: Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thường, nếu vượt quá
giá trị này thì hệ số khuếc đại của Transistor sẽ giảm.
+ Hệ số khuếc đại: Là tỉ số biến đổi dòng Ice lớn gấp bao nhiêu lần dòng Ibe.
+ Công suất cực đại: Khi hoạt động Transistor tiêu tán một lượng công suất:
P=Uce*Ice Nếu công suất này vượt quá công suất cực đại của Transistor thì Transistor sẽ
bị hỏng.
Kí hiệu của Transistor.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng
thông dụng nhất là các transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung Quốc.
Transistor Nhật bản : thường ký hiệu là A..., B..., C..., D... Ví dụ A564, B733,
C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký
hiệu là C và D là Transistor ngược NPN. Các Transistor A và C thường có công xuất nhỏ
và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm
việc thấp hơn.
Transistor do Trung Quốc sản xuất : Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái.
Chữ cái thức nhất cho biết loại bóng : Chữ A và B là bóng thuận , chữ C và D là bóng
ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm : X và P là bòng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các
chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm. Thí dụ : 3CP25 , 3AP20 vv…
Transistor do Mỹ sản xuất: Thường ký hiệu là 2N... ví dụ 2N3055, 2N4073 vv...

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3. THYRISTOR.
a. Cấu tạo và đặc điểm hoạt động của SCR
Cấu tạo:

Hình 6: Cấu tạo của Thyristor (SCR).
a: Cấu trúc bán dẫn.
b: Kí Hiệu.
c: Hình dạng thực tế.
d: Các mắc SCR từ Transistor.
Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối
tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược ( Hình 6 d ) . Thyristor có 3 cực là
Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G.
Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor
chưa dẫn điện, khi có một dòng diện điều khiển kích vào chân G => Thyristor dẫn cho
đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn.
Đặc điểm hoạt động của SCR:
- Dùng cho mạch công suất lớn yêu cầu điều khiển tín hiệu điện áp ra( Như mạch
chỉnh Lưu có điều khiển, điều áp soay chiều,…)
- Mạch điều khiển nối giữa cực G – K, mạch công suất nối giữa A – K.
- SCR được điều khiển bằng xung dòng, Xung dòng Ig kích đóng SCR.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

If

- Không cần kích ngắt, dòng qua SCR đang dẫ If bị ngắt khi dòng
dòng duy trì

Ih I f < Ih

(

nhỏ hơn

≈0).

b: Đặc Tuyến V-A và đặc tính điều khiển của SCR
Đặc tuyến Vol – Ampe.

Hình 7: Đặc tuyến Vol – Ampe của SCR.
Đặc tuyến V – A Thyristor bao gồm bốn đoạn như trên hình 7.
- Đoạn 1: Ứng với trạng thái đóng của Thyristor, nó chỉ cho dòng dò chạy qua.
- Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuân, trong giai đoạn này với mỗi lượng
tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor (Trong
giai đoạn này còn có tên gọi là “Điện trở âm”).
- Đoạn 3: ứng với trạng thái mở của Thyristor, trong giai đoạn này cả ba mặt gép
N,P đã dẫn điện dòng điện chảy qua Thyristor chỉ giới hạn bằng điện trở ngoài. Điện trở
rơi trên Thyristor rất nhỏ cỡ khoảng 1V, trạng thái mở duy trì cho đến khi còn dòng duy
trì

Ih

(Holding Current).

- Đoạn 4: Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt điện áp ngược, nếu tiếp tục tăng
điện áp ngược Thyristor bị đánh thủng → Thyristos bị hỏng.
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ta nhận thấy: Đối với Diode thì nó sẽ dẫn ngay sau khi được phân áp thuận (

U AK < U Ng

) cỡ khoảng (0.1 đến 0.5 V).

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đặc tuyến điều khiển

Hình 8: Đặc tuyến điều khiển của Thyristor.
Các thông số chính của Thyristor.
VBo

VAK

: Điện áp thông dòng, khi điện áp
đủ dương để đóng Thyristor mà không
cần tín hiệu điều khiển, khi thay đổi giá trị dòng kích thì áp thông dòng thay đổi theo
I G 2 > I G1 > I G 0 = 0 ⇒ VBO 2 < VBO1 < VBO 0

.

IL

: Dòng chốt, Khi dòng thuận qua SCR
thể tắt xung điều khiển.
Ih

IF

lớn hơn giá trị dòng chốt

: Dòng duy trì, trong quá trình dòng thuận SCR
thì SCR chuyển sang trạng thái ngắt .
-

VBr

IF

IL

mới có

thấp hơn dòng duy trì

Ih

: Điện áp đánh thủng SCR kiểu thác.

c:Tính chất động của SCR và một số mạch bảo vệ thông dụng.
Tính chất động.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

dvBL
dt

dvBL
dt

: SCR sử lí như một tụ điện, nếu
quá lớn dẫn đến SCR dẫn ngoài í
muốn, người ta giới hạn tốc độ thay đổi điện áp trong khoảng 10 đến 100 V/µs.
diF
dt

diF
dt

:Nếu
qua lớn sẽ làm lớp tiếp diện của SCR bị quá tải ở chỗ nối với cổng
làm hỏng SCR, vì thế người ta giới hạn độ tăng của dòng thuận cỡ khoảng từ 10 đến
100A/µs.
tq

: Sau khi phục hồi lớp điện trở nghịch của J1 và J 3 quá trình ngắt vẫn chưa
chấm dứt, cần thêm một khoảng thời gian nữa mới khôi phục điện trở nghịch của lớp
Mộ số mạch bảo vệ thông dụng.

Hình 9: Một số mạch bảo vệ của SCR.
Trên đây là số mạch bảo vệ thông dụng dùng cho Thyristor.
di f
dt

- Đển giảm tốc độ biến thiên
có thể dùng cảm kháng mắc nối tiếp với SCR.
- Việc quá áp có thể hạn chế bằng mạch dùng RC hoặc mạch DRC để gới hạn độ
dốc của

dvB1
dt

.

4. Kết luận.
Trên đây là Phần giới thiệu một số linh kiện bán dẫn công suất thông dụng, ngoài

ra còn có: GTO,MOFES,TRIAC… nhưng vì thời gian có hạn với sự giới hạn của đề tài
không sử dụng tới các linh kiện đó lên nhóm em không đưa vào. Chuyển sang phần tiếp
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

theo nhóm em xin giới thiệu “Mạch động lưc, Mạch điều khiển và Mô hình được thiết kế
trên lý thuyết và mô hình thực tế”!

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MẠCH ĐỘNG LỰC.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: Khi cho điện áp một chiều U vào
hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng có dòng điện, các thanh dẫn ab và cd nằm
trong vùng từ trường sẽ tác dụng tương hỗ lên nhau tạo nên mô men tác dụng lên khung
(*)

dây chứ rotor làm rotor quay, chiều Lực từ được áp dụng theo quy tắc bàn tay trái
Khi khung dây quay được nửa vòng, hai thanh dây dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau,
nhờ có phiến góp chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến thành dòng điện soay

chiều đưa vào khug dây phần ứng để đảm bảo sao cho lực từ trường không đổi, do đó
lực từ tác dụng lên khung dây cũng theo một chiều nhất định đảm bảo cho động cơ quay
theo một chiều không đổi.

Hình 10: Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
I. Giới Thiệu Động Cơ Điện Một Chiều Và Các Phương Phnáp Điều Chỉnh Tốc Độ
1. Động Cơ Điện Kích Từ Song Song.
a. Mạch điện tương đương và các phương trình cân bằng.

Hình 11: Mạch điện tương đương của động cơ kích từ song song.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(*)

: Quy tăc bàn tay trái: "Đặt bàn tay trái sao cho đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón
tay là chiều dòng điện, khi đó ngón tay cái choãi ra 90º chỉ chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện".

Các phương trình cân bằng:
I = I u + I kt

I kt =

(2.1)

U
U
=
Rdc + Rkd Rkt

(2.2)

Eu = U − I u Ru

(2.3)

I : Dòng điện toàn mạch.
Iu

: Dòng điện phần ứng.

I kt

: Dòng kích từ.
U : Điện áp đặt vào động cơ.
Eu

Rdc

: Suất điện động phần ứng.
: Điện trở điều chỉnh.

Rkq

: Điện trở cuộn cảm.

Rkt

: Điện trở kích từ.

b:Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ (
Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ (

n = f (ikt )

n = f (ikt )

) và đặc tính cơ (

Ω = f (M )

).

).

n = f (ikt )

Iu

Uu

Đặc tính dòng kích từ là đường cong
khi
= Const, = Const theo
φ ( I kt )
φ ( I kt )

biểu thức (2.3) n tỉ lệ nghịch với từ thông
. Trong khi đó quan hệ
có dạng
đường cong từ hóa B(H), vậy

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

n = f (ikt )

có dạng Hypebon như hình 12. Từ đặc tính này

Page 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

cho thấy: để điều chỉnh tốc độ động cơ điện kích từ song song có thể thay đổi
ưu điểm của động cơ kích từ song song).

I kt

(đây là

Hình 12: Đặc tính vận tốc theo dòng kích từ.

Đặc tính cơ

Ω = f (M )

Hình 13: Đặc tính cơ của động cơ kích từ song song.

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đặc tính cơ là đường cong biểu thị mối qua hệ của
Uu

= Const, từ các công thức 2.1, 2.2, 2.3 ta rút ra được
Ω=

Iu

Ω = f (M )

khi mà

Iu

= Const,

như sau:

Ru
U

−
M
kM φ (kM φ )2

(2.4)

Nếu điện áp và từ thông không đổi thì đặc tính cơ là đường thẳng xuống dốc như
trên hình 13. Nếu mô men tăng thì tốc độ giảm rất ít, như vậy đặc tính cơ “Cứng”.
Từ công thức 2.4 ta thấy để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ song song
ta có ba phương pháp:
+ Điều chỉnh điện áp U đặt vào phần ứng.
+ Điều chỉnh từ thông ϕ.
+ Điều chỉnh điện trở phụ mắc nối tiếp với mạch phần ứng.
2. Động Cơ Điện Kích Từ Nối Tiếp.
a. Sơ đồ tương đương và các phương trình cân bằng.
Sơ đồ tương đương.
Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng nên
cuộn kích từ có tiếp diện lớn, ít vòng dây và điện trở nhỏ. Trên hình 14 là sơ đồ tương
đương của động cơ, với

RKn

điện trở của cuộn dây

Hình 14: Sơ đồ tương đương của động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
.
Các phương trình tương đương.
I = I n = Iu
Eu = U − ( Rn + Ru ) Iu = K Eφ n
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh

Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

(2.5)
(2.6)
Page 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chú ý:
.

Iu

và

φ ( Iu )

b: Đặc tính cơ

Phụ thuộc vào tải của động cơ

Ω = f (M )

Hình 15: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
Đó là đường cong
Ta có:

Ω = f (M )

khi điện áp U = Const .
M = k M kφ I u2

(2.7)
Khi

Iu

nhỏ, từ biểu thức (2.4) ta có:
Ω=

U
km kφ

R + Rn
1
− u
km kφ
M

(2.8)
A
Ω=
−B
M

(2.9)
Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp có dạng là đương Hypebol, như
Ω=0

trên hình 15. Khi tốc độ
mô men khởi động Mk của động cơ có giá trị rất lớn, khi
Iu ,φ
Iu = I 0
tai giảm nhiều
nhỏ động cơ quay rất nhanh. Đặc biệt là lúc không tải
rất
nhỏ khiến tốc độ quá lớn rất nguy hiểm, vì vậy trong quá trình vận hành và khởi động cần
tránh cho động cơ làm việc không tải và non tải.
3. Động Cơ Điện Một Chiều Kích Từ Tổng Hợp.
a. Sơ đồ tương đương và các phương trình cân bằng.
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 16: Sơ đồ tương đương của động cơ kích từ hỗn hợp.
Đây là loại động cơ tổng hợp của 2 loại động cơ trên mang hai loại dây, trên mỗi
Rs
Rn
cực từ mang hai dây cuốn kích từ: Song song có điện trở
, nối tiếp có điện trở , từ
hình 16 ta có các phương trình cân bằng sau:
I = I u + I kt ; I n = I u

(2.10)

E = U − Rn I n − Ru Iu = U − ( Rkn + Rkq ) I u

(2.11)

GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b.Đặc tính cơ

Ω = f (M )

Hình 17: Đặc tính cơ hỗn hợp.
a: Các đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
1)Song song;
2) nối tiếp;
3) hỗn Hợp cộng;
4) hỗn hợp trừ.
b: Đặc tính cơ của động cơ kích từ song song với
Ikt khác nhau.
Phương trình biểu diễn động cơ điện một chiều
Ω=

( R + Rn ) M
U
− 2u

k M (φs ± φn ) kM (φs ± φn ) 2

(2.12)

4. Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện Một Chiều.
Từ phương trình 2.12 ta viết lại như sau:
Ω=

( R + R + Rp )M
U
− u2 n
k M (φs ± φn )
k M (φs ± φn )2

(2.13)

Rp

Trong đó

là điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng.

Theo phương trình 2.13 ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau:
GVHD: TS.Mai Hoàng Công Minh
Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 13

Page 25