Đề tài Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Hưng Yên, tháng 6 năm 2009. Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Văn A LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa... Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha”. Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn A cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! TÊN ĐỀ TÀI Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha * Số liệu cho trước - Các giáo trình và tài liệu chuyên môn - Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm. *Nội dung cần hoàn thành: - Lập kế hoạch thực hiện. Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha. Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha. Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu: + Điện áp đầu vào một chiều U = 12V. + Điện áp đầu ra xoay chiều U = 220V - f = 50HZ . + Bảo vệ quá điện áp đầu ra 10% + Bảo vệ quá dòng điện, quá nhiệt độ cho phần tử công suất + Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm. Sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Quyển thuyết minh.và các bản vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài. Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Văn A PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ CÁC VAN BÁN DẪN Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt các dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hoá. Đây là đặc tính của các bộ biến đổi bán dẫn công suất mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện tử không thể có được . . Lịch sử phát triển và ứng dụng của điện tử công suất: Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của truyền động điện nó đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, những ứng dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp. Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor công suất ra đời. Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển. Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn. Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau... Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Trong thực tế bộ biến đổi được chế tạo rất đa dạng để có thể hiểu và phân tích được nguyên lý của các bộ biến đổi, trước hết ta phải tìm hiểu các phần tử bán dẫn công suất. 1.2.Các phần tử bán dẫn công suất và việc điều khiển chúng: 1.2.1. Chất bán dẫn Về phương diện dẫn điện, các chất được chia thành hai loại: chất dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) và chất không dẫn điện (có điện trở suất lớn). Chất không dẫn điện còn gọi là chất cách điện hay là chất điện môi. Giữa hai loại chất này có một chất trung gian mà điện trở suất của nó thay đổi trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (theo quy luật hàm mũ). Nói cách khác, chất này dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao và dẫn điện kém hoặc không dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Đó là chất bán dẫn (hay chất nửa dẫn điện) Trong bảng tuần hoàn (Mendeleep) các nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian (Hình 1.2.1) giữa các kim loại và á kim. Điển hình là Ge, Si… Vì ở phÂn nhóm IV, lớp ngoài cùng của Ge, Si có 4 điện tử (electron) và chúng liên kết đồng hoá trị với nhau tạo thành một mạng bền vững (Hình 1.2.1-2-a). Hình 1.2.1-1 Các nguyên tố bán dẫn Khi có một tâm không thuần khiết (nguyên tử lạ, nguyên tử thừa không liên kết trong bán dẫn, dẫn đến những khuyết tật trong mạng tinh thể: nút chân không, nguyên tử hay ion giữa các nút mạng, sự phá vỡ tinh thể, rạn vỡ…) thì trường điện tuần hoàn của tinh thể bị biến đổi và chuyển động của các điện tử bị ảnh hưởng, tính dẫn điện của bán dẫn cũng thay đổi. Nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm III chẳng hạn như In, thì do lớp điện tử ngoài cùng của In chỉ có ba điện tử nên thiếu 1 điện tử để tạo cặp điện tử đồng hoá trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 diện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống (hole) dương (Hình 1.2.1-b). Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 điện tử của nguyên tử Ge khác để trung hoà và biến nguyên tử Ge sau thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và bán dẫn Ge được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương (bán dẫn loại P – Positive). Tương tự, nếu trộn vào Ge một ít đơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn như As, thì do lớp điện tử ngoài cùng của As có 5 điện tử nên sau khi tạo 4 cặp điện tử đồng hoá trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 điện tử. Điện tử này dễ dàng rời khỏi nguyên tử As và trở thành điện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn điện tử hay bán dẫn Âm (bán dẫn loại N – Negative). Khi nhiệt độ chất bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào nhiều thì chuyển động của các phần tử mang điện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn điện tốt hơn. Hình 1.2.1-2 Sự tạo ra các bán dẫn P(b) và N(c) Các chất bán dẫn có thể là đơn chất như B, C, Si, Ge, S, Se…các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb…các ôxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2…các sulfua như ZnS, CdS…. Hiện nay, các chất bán dẫn được dùng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống. 1.2.2.Diode công suất a>Cấu tạo đặc điểm và phân loại: -Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2. Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-1250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.2.2-1 Hình 1.2.2-1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất -Điode có 2 loại thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn: *Diode chỉnh lưu Gecmani (Ge): Tiếp giáp của diode Ge phần lớn được chế tạo bằng phương pháp làm nóng chảy IN (indi) với nhiệt độ thích hợp, trong bán dẫn Ge loại N. Miếng bán dẫn Ge được hàn với nền bằng thép. Tinh thể Ge được đặt trong vỏ bọc hợp kim cova để bảo vệ và liên kết với bộ phận tản nhiệt. -Đặc điểm của Diode Ge là điện áp chịu đựng được khoảng 400V, nhưng sụt áp trên Diode nhỏ nên được sử dụng trong các bộ chỉnh lưu điện áp thấp. Diode Ge thường bị đánh thủng do nhiệt độ. Nhiệt độ cho phép của Diode Ge là 750C, nên khi làm việc ở nhiệt độ cao dòng điện ngược tăng lên đáng kể dẫn đến chất lượng chỉnh lưu thấp, do vậy ta có thể coi nhiệt độ cho phép là nhiệt độ tới hạn của Diode Ge. *Diode chỉnh lưu silic (Si): -Diode chỉnh lưu Si được chế tạo bằng cách làm nóng chảy nhôm trong tinh thể Si loại N, hoặc làm nóng chảy hợp kim thiếc phốt pho, hay vàng antimoan trong tinh thể silic loại P. Ngoài ra người ta còn chế tạo bằng phương pháp khuếch tán Phốt pho vào tinh thể Si loại N. Công nghệ chế tạo kiểu khuếch tán thường được áp dụng cho các loại diode công suất lớn. -Tinh thể Si và tiếp giáp PN được bọc bởi vỏ kim loại, tinh thể bán dẫn được hàn bằng hợp kim bạc- antimoan hay vàng- antimoan. - Diode Si có điện áp ngược cho phép cỡ 2500V, nhưng độ xụt diện áp trên Diode Si cũng cao hơn Diode Ge. Nhiệt độ cho phép của Diode Si khá cao tmax = 1250C, và hiện tượng đánh thủng chủ yếu cũng là do nhiệt độ. b>Nguyên lý làm việc và đặc tính vôn – ampe: -Khi tiếp giáp PN của diode được đặt đưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ được mở rộng ra, nên điện trở tương đương của diode càng lớn và dòng điện xẽ không thể chạy qua. Lúc này toàn bộ điện áp xẽ được đặt lênvùng nghèo điện tích, ta nói rằng diode bị phân cực ngược. Hình 1.2.2-2. -Khi điện trường ngoài ngược chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích xẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài lớn hơn 0,65V thì vùng nghèo điện tích xẽ thu hẹp lại đến bằng không, và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc của diode. Dòng điện đi qua diode lúc này chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài. Khi đó ta nói rằng diode được phân cực thuận. Hình 1.2.2-3. vùng nghèo các điện tích Hình 1.2.2-2. Hướng di chuyển các các điện tích Hình 1.2.2-3. *Đặc tính vôn – ampe: Hình 1.2.2-4. Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ nhất ứng với UAK > 0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với UAK < 0 hình1.2.2-4. -Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến vượt quá giá trị UD0 » 0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi. -Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp UAK được tăng dần từ 0 đến giá trị Ungmax thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị lớn hơn Ungmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng. -Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là: u = UD0 + iDRD Trong đó: UD0(V); ID (A); RD (W). -Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng theo chiều ngược. c> Biểu thức giải tích đặc tính V-A - Đặc tính V-A của diode được biểu diễn gần đúng bằng biểu thức: I = Is( - 1) Trong đó: Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA. q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C). k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K). T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K). t0 - Nhiệt độ môi trường 0C u – Điện áp đặt trên diode (V) d>Các tham số cơ bản của Diode -Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, ID . Trong quá trình làm việc dòng điện chạy qua diode sẽ làm phát nóng tinh thể bán dẫn của diode. Công suất tổn hao của diode khi đó sẽ bằng tích dòng điện chạy qua nó với điện áp rơi trên diode. Diode chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anốt đến catot. Điều này có nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với dòng điện trung bình qua diode, Vì vậy giá trị ID là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode trong một ứng dụng cụ thể. -Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chiệu đựng được, Ung,max. Ung,max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng được, đây cũng là một thông số quan trọng để lựa chọn một diode. Như ở đặc tính vôn – ampe đã chỉ ra, quá trình diode bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong các ứng dụng thực tế khi lựa chọn diode phải luôn đảm bảo UAK <= Ung,max . -Tần số làm việc của diode. Quá trình phát nhiệt trên diode còn phụ thuộc vào tần số đóng cắt của diode. Trong các khoảng thời gian diode mở ra hoặc khóa lại công suất tổn hao tức thời u(t).i(t) có giá trị lớn hơn luc diode dẫn dòng hoặc lúc đạng bị khóa. Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao, hoặc trong trường hợp thời gian đóng cắt của diode So sánh được với khoảng dẫn dòng hoặc khóa thì tổn thất trên diode lại bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc chứ không phải chỉ có giá trị dòng điện trung bình. Các diode được chế tạo để phù hợp với các dải tần số làm việc khác nhau, nên khi lựa chọn diode cần phải quan tâm dến tần số làm việc của diode. -Thời gian phục hồi tr. Trong các bộ biến đổi thường sẩy ra quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, nghĩa là quá trình dòng điện chuyển từ một phần tử này sang một phần tử khác. Các diode khi khóa lại có dòng ngược có thể có biên độ rất lớn để di tản các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của mình trong khoảng thời gian tr, gọi là thời gian phục hồi. Thời gian phục hồi cũng quyết định tổn thất công suất trong diode. Các diode có thời gian phục hồi rất ngắn cỡ ms, gọi là các diode cắt nhanh. Cần phải phân biệt các diode cắt nhanh với các diode tần số cao, và tr là một thông số cần quan tâm khi chọn diode. 1.2.3. Tranzitor công suất - (Bipolar Junction Transistor)- (BJT) a> Cấu tạo và đặc điểm chung Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tương tự như Transitor thường với các loại như NPN hay PNP. Nó cũng được cấu tạo bởi ba miền bán dẫn, được ghép liên tiếp nhau, miền ở giữa luôn khác tên với 2 miền bên cạnh, tạo nên hai lớp tiếp giáp PN. Nếu miền bán ở giữa là loại N thì 2 miền bên cạnh là loại P khi đó ta có loại transitor thuận PNP. Ngược lại nếu miền bán ở giữa là loại P thì 2 miền bên cạnh là loại N khi đó ta có loại transitor ngược NPN. - Transior công suất đưa ra ngoài ba cực, cực nối với lớp bán dẫn ở giữa gọi là cực gốc B (bazơ), cực nối với lớp bán dẫn mà khi làm việc có điện trường ngoài ngược chiều với điện trường trong gọi là cực phát E (Emitor), cực nối với lớp bán dẫn còn lại là cực C (Collector). Hình 1.2.3-1: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngược Điểm khác cơ bản với Transitor thường là Transitor công suất thường được sử dụng như 1 khoá đóng - cắt điện tử. Tiếp giáp của Transitor công suất lớn có diện tích hàng trục mm2 và nó có thể cho dòng điện qua hàng chục đến hàng trăm Ampe, chịu được tần số đóng cắt tương đối cao và điện áp làm việc khá lớn, nó còn được gọi là phần tử khuếch đại chuyển mạch. Transitor có hai điểm làm việc khác biệt. Hình 1.2.3-2 mô tả sơ đồ một bộ khuếch đại chuyển mạch. Hình 1.2.3-2. Bộ khuếch đại chuyển mạch Như vậy, một Transitor làm việc ở trạng thái khoá điện tử thì nó chỉ làm việc ở hai trạng thái đóng hoặc cắt hay dẫn - không dẫn. b>. Đường đặc tính làm việc Đường đặc tính làm việc của Transitor ở trạng thái đóng - cắt được trình bày như hình vẽ 1.2.3-3. Trong vùng đặc tính đầu ra, Transitor chỉ có hai điểm làm việc: đóng hoặc cắt hay dẫn hoặc ngưng dẫn. Hình 1.2.3-3 Điểm làm việc của công tắc Transitor Hình vẽ 1.2.3-3. cho thấy Transitor ngừng dẫn ở điểm làm việc A1 (dòng điện IB = 0) chỉ có một dòng điện rò ICEO phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp bán dẫn. Nếu Transitor dẫn, thì điểm làm việc trong vùng đặc tính đầu ra tăng từ A1 đến A2. Ở đây dòng điện IC tăng tuyến tính với dòng điện IB khi dòng điện IB tăng càng lớn thì điểm làm việc sẽ chuyển từ A2 vượt qua A3 đến A4. Đến đÂy dòng điện IC tăng rất ít, có nghĩa là Transitor bị điều khiển quá mức. ở đÂy điên áp UCE giảm xuống bé hơn điện áp bão hoà UCEsat chúng được gọi là: UCErest c>Sự điều khiển quá mức của Transitor Sự điều khiển quá mức là trạng thái hoạt động của Transitor, mà khi có dòng điện IB quá lớn chạy qua, nó lớn hơn cả dòng điện cần thiết để dòng IC đạt tới cực đại. Ở điều khiển quá mức thì dòng điện IC thay đổi không còn tuyến tính với dòng IB nữa. Điểm điều khiển quá mức đạt đến nếu UBE = UCEsat có nghĩa là UCB = 0. Transitor được điều khiển quá mức nếu nó cần làm việc như là một công tắc. Sự điều khiển quá mức có ưu điểm là điện áp dư UCErest rất nhỏ, làm cho công suất tổn hao bé. Mức độ điều khiển quá mức được tính toán theo hệ số điều khiển quá mức u nó chính là tỉ số dòng điện IB thực tế và dòng điện IB’ cần thiết để Transitor điều khiển đến giới hạn UCB = 0. u = IB/IB’, Thông thường tỉ số này được chọn từ u = 2-5. d> Khuếch đại chuyển mạch với tải là điện trở Bộ khuếch đại chuyển mạch bằng Transitor được ứng dụng rộng rãi là bộ chuyển mạch công suất. Trong trường hợp này tải có thể mắc trực tiếp với cực Collector. Hình 1.2.3-4 và 1.2.3-5 là sơ đồ nguyên lí của một bộ chuyển mạch công suất với tải là điện trở thuần và miền đặc tính lí tưởng của mạch. Độ dốc của đường làm việc trên hình 1.2.3-5 được xác định qua độ lớn của điện trở tải. Ở điểm làm việc A1 (IB = 0A) Transitor không dẫn. ở điểm A2 thì Transitor dẫn. Vì Transitor điều khiển quá mức nên điện áp UCErest tương ứng nhỏ. Như vậy trong khi đóng cũng như trong khi cắt mạch điện, điểm làm việc của mạch chuyển dời giữa điểm làm việc A1 đến A2 dọc theo đường thẳng làm việc đã được điện trở thuần xác định. Trong thực tế không chỉ có các tải điện trở thuần mà có khi còn có tải điện dung hoặc điện cảm mắc trong mạch, ví dụ như cuộn dây Rơle hoặc cuộn dây của nam châm điện, độ tự cảm của chúng trực tiếp làm trở ngại đến quá trình chuyển mạch tiếp giữa các điểm làm việc. Khi ngắt mạch nhanh các điện cảm này có thể xuất hiện đỉnh điện áp lớn hơn điện áp nguồn nuôi đặt vào Transitor, do vậy mà có thể dẫn tới tình trạng phá hỏng Transitor. Vì vậy cần có biện pháp bảo vệ cho các van công suất. Hình 1.2.3-4 Hình 1.2.4-5 e> Khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện Mạch khuếch đại chuyển mạch với tải là tụ điện và đường đặc tính tương ứng được mô tả trên hình 1.2.3.-6 và 1.2.3 -7 Mạch này cần thiết phải lắp thêm điên trở tải vì nếu không sẽ không có điểm làm việc A2 trong chế độ tĩnh. Hình 1.2.3.-6 Chuyển mạch công suất với tải tụ điện Hình 1.2.3-7 Đường đặc tính làm việc với tải tụ điện f> Khuếch đại chuyển mạch với tải là cuộn dây Sự hoạt động của bộ khuếch đại chuển mạch công suất với tải là cuộn dây và đường đặc tính tương ứng mô tả trên hình 1.2.3-8 và 1.2.3-9. Trong điểm làm việc A1, Transitor không dẫn nên không có dòng điện chạy qua Rload và Lload Cuộn dây không dự trữ năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc đóng mạch khi có dòng điện IB thì xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng. Lúc đầu nó nhỏ hơn điện áp nguồn nuôi US và nó nhỏ dần. Chính sức điện động cảm ứng này sinh ra dòng điện có chiều ngược với chiều dòng IC, nên dòng IC bị tác động chỉ tăng từ từ. Điểm làm việc chuyển dời trong pham vi quá độ trên đường đặc tính mô tả là phía dưới theo chiều mũi tên tới làm việc A2. Hình 1.2.3-8 Chuyển mạch công suất với tải điện cảm Hình 1.2.3-9 Đường đặc tính làm việc với tải điện cảm Ở điểm làm việc A2 Transitor dẫn một dòng collector nhất định. Dòng này chạy qua Rload và Lload. Trong cuộn dây lúc này dự trữ một năng lượng từ trường. Trong khoảnh khắc ngắt mạch, Transitor không dẫn, như vậy kéo theo một sự cùng đổ vỡ của từ trường và năng lượng dự trữ sẽ được giải phóng. Nó xuất hiện một sức điện động tự cảm UL mà cực dương của nó đặt trực tiếp vào cực C của Transitor, độ lớn của sức điện động tự cảm này phụ thuộc vào năng lượng dự trữ và sự nhanh hay chóng của quá trình ngắt (thời gian quá trình ngắt). Lúc này điểm làm việc chuyển dời trong phạm vi quá độ trên đường đặc tính phía trên theo hướng mũi tên tới điểm làm việc A1. Qua hiện tượng tự cảm, trong quá trình ngắt mạch có thể sẽ xuất hiện trên cực C của Transitor một điện áp quá cao, cao hơn cả điện áp US. Điều này có thể dẫn tới tình trạng làm hỏng Transitor, do đó các mạch có tải là các cuộn dây thường cần có biện pháp bảo vệ. Một trong những biện pháp bảo vệ là người ta thực hiện theo sơ đồ hình 1.2.3-10 Hình 1.2.3-10 Mạch bảo vệ bằng Diode cho mạch khuếch đại chuyển mạch công suất 1.2.4. TRANSITOR TRƯỜNG – FIELD EFFECT TRANSISTOR 1.2.4.1. Khái niệm Transitor trường được viết tắt là FET (Field effect Transitor) là loại Transitor có tổng trở đầu vào rất lớn khác với Transitor lưỡng cực BJT ( Bipolar Junction Transitor) loại NPN hay PNP có tổng trở đầu vào tương đối nhỏ ở cách lắp ráp thông thường kiểu E chung. Đường điện tử Điện trường Tinh thể bán dẫn loại N Hình 1.2.4-1. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của FET Sự điều khiển dòng điện ở FET thông qua một điện trường nằm vuông góc với đường dòng điện. Điều này thực ra đã được phát hiện ra từ năm 1928. Nhưng ứng dụng thực tế chỉ xảy ra sau khi sự phát triển của nhiều loại bán dẫn khác nhau ra đời. Hình 1.2.4-1 mô tả nguyên lí làm việc của FET. Trong khi ở Transitor lưỡng cực thì dòng điện chính luôn luôn chạy qua hai vật liệu bán dẫn loại N và P, thì ở Transitor trường dòng điện chỉ chạy ở 1 trong 2 loại bán dẫn nêu trên. Đường của dòng điện được cấu tạo từ chất bán dẫn loại N được gọi là bán dẫn kênh N. Loại được cấu tạo từ bán dẫn loại P được gọi là kênh P. Sơ đồ dưới đây mô tả các loại khác nhau của Transitor trường. Các Transitor trường có 3 chân: Cực máng D (Drain), Cực nguồn (Source), Cực cổng (Gate). Các cực của Transitor trường so sánh với Transitor BJC Cực S tương đương với cực Emitter Cực G tương đương với cực Base Cực D tương đương với cực Collector Mỗi loại Transitor trường có một kí hiệu riêng. Nó được tóm tắt trên hình 1.2.4-2 Transitor trường (FETs) JFETs (PNFETs) MOSFETs (IGFETs) JFETs kênh N JFETs kênh P MOSFETs kênh đặt sẵn MOSFETs kênh cảm ứng Loại5 đặc biệt Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P MOSFETs Cổng đôi VMOSFETs SIPMOSFETs Hình 1.2.4-2 Các loại Transitor trường Vì đặc tính tổng trở đầu vào rất lớn (đối với JFETs có giá trị khoảng 109W, ở MOSFETs thậm chí khoảng 1015 W) cho nên sự điều khiển dòng điện trong Transitor trường có công suất tổn hao gần bằng không. Vì vậy việc ứng dụng Transitor trường rất rộng rãi đặc biệt với kỹ thuật MOSFETs. Loại Loại kênh N Loại kênh P JFETs MOSFETs loại kênh liên tục MOSFETs loại kênh gián đoạn Hình 1.2.4-3. Ký hiệu Transitor trường 2. Transitor JFET (Junction FET) a, Cấu tạo, nguyên lí làm việc JFET còn được gọi là Transitor tiếp xúc P-N hay FET nối. Gọi tắt là FET. JFET có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P. Cấu tạo của JFET kênh N được cho như trên hình vẽ. Cấu tạo của nó bao gồm có một tấm bán dẫn loại N, trên tinh thể bán dẫn Si-N người ta tạo xung quanh nó một lớp bán dẫn P (có nồng độ cao hơn so với bán dẫn loại N) và đưa ra điện cực là cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), và cực cổng G (Gate). Như vậy hình thành một kênh dẫn điện loại N nối giữa hai cực D và S, cách li với cực cổng G dùng làm cực điều khiển bởi một lớp tiếp xúc bao quanh kênh dẫn. Đối với JFET kênh P thì hoàn toàn tương tự. Ký hiệu và cực tính điện áp phÂn cực cũng như dòng điện và đặc tính điều khiển cho các JFET loại kênh N và kênh P như hình 1.2.4-5. Hình 1.2.4 -4. Mặt cắt của một JFET kênh N b, Nguyên lí hoạt động Để phân cực JFET kênh N người ta dùng hai nguồn điện áp ngoài là UDS > 0 và UGS < 0 như hình vẽ Hình 1.2.4 -4 (đối với JFET kênh P, các chiều điện áp phân cực sẽ ngược lại sao cho tiếp giáp P-N bao quanh kênh dẫn luôn được phân cực ngược). Do tác dụng của các điện trường này, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện (là dòng điện tử đối với loại kênh N) hướng từ cực D tới cực S, được gọi là dòng điện cực máng ID. Dòng IĐ có độ lớn tuỳ thuộc và các giá trị UDS và UGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả hai điện trường này. Điều này có thể giải thích như sau: Hình .1.2.4-5. Ký hiệu, đặc tính điều khiển của FET kênh N và FET kênh P Khi đặt điện áp -UGS giữa cực G và cực S (hình 1.2.4-4) thì cả hai tiếp giáp PN đều bị phân cực ngược. Trong chất bán dẫn loại P và N bắtđầu hình thành vùng chắn làm cho dòng điện không còn chạy qua được giữa hai vùng tiếp giáp PN phân cực ngược. Khi vùng chắn cứ rộng mãi ra thì dòng điện trong kênh nhỏ dần đi. Trong kênh gần cực Source là rộng nhất và phía cực Drain thì nhỏ hơn. Điện áp -UGS càng lớn bao nhiêu thì vùng chắn trong kênh càng lớn bấy nhiêu và dòng điện chạy trong kênh càng nhỏ đi bấy nhiêu. Độ lớn của điện trở RDS giữa Source và Drain của JFET phụ thuộc vào độ lớn của điện áp UGS. Như vậy điện áp có thể làm thay đổi được điện trở RDS. Khi các vùng chắn tiếp xúc với nhau thì dòng điện sẽ bị gián đoạn và kênh lúc này bị thắt lại. Dòng điện ID lúc này sẽ bằng không. Vì tiếp giáp PN phÂn cực ngược nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, do đó việc điều khiển dòng điện ID bằng điện áp -UGS có công suất tổn hao rất nhỏ. c, Đường đặc tính ra của JFET Đường đặc tính đầu ra biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện cực máng ID và điện áp UDS khi UGS bằng hằng số. Vùng tuyến tính Khi UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS và ít phụ thuộc vào UGS. Đây là vùng làm việc mà JFET giống như điện trở thuần cho tới lúc đường cong bị uốn mạnh Vùng bão hoà Khi UDS đủ lớn, ID phụ thuộc rất yếu vào UDS và phụ thuộc mạnh vào UGS. Đây là vùng làm việc mà JFET giống như một phần tử khuếch đại, dòng điện ID được điều khiển bằng điện áp UGS. Vùng đánh thủng Khi UDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biến do tiếp giáp PN bị đánh thủng, hiện tượng thác lũ xảy ra tại khu vực gần cực D do điện áp ngược đặt lên tiếp giáp PN tại vùng này là lớn nhất. d, Phương pháp lấy đường đặc tính đầu ra: Điều chỉnh nguồn điện áp U2 = 0 Đặt U1 ở gái trị mong muốn giữa 0 và -6V và giữ bằng hằng số Đóng công tắc S1 và điều chỉnh U2 các giá trị khác nhau Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UDS Mở công tắc S1, chỉnh U2 về không và U1 thay đổi các giá tri khác nhau Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS Giữ nguyên U2 điều chỉnh thay đổi U1 Đọc dòng ID ở mỗi giá trị UGS Phương pháp lấy đặc tính ra của MOSFETs Đặc tuyến đầu ra của JFET e, Các tham số của JFET Tham số giới hạn Dòng điện IDmax là dòng điện máng cực đại cho phép (ứng với UGS =0) Điện áp UDSmax là điện áp máng nguồn cực đại cho phép Điện áp UGSmax là điện áp cổng nguồn cực đại cho phép Điện áp khoá UGS(P) là điện áp cổng nguồn làm cho dòng ID = 0 Tham số làm việc Điện trở đầu ra dòng một chiều RDS: RDS = UDS/ID Điện trở đầu ra dòng xoay chiều rDS: rDS = DUDS/DID, rDS thể hiện độ dốc của đường đặc tính đầu ra trong vùng bão hoà. Hỗ dẫn của đặc tính truyền dẫn S: S = DID/ DUGS cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cổng tới dòng cực máng. 1.2.4.3. Transitor MOSFET (Transitor trường cực cổng cách li) Ở MOSFETs, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện. Lớp cách điện này về nguyên tắc có cấu tạo từ oxýt kim loại cũng chính vì vậy mà người ta gọi la MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor FET). Khi viết tắt người ta cũng thường hay viết IFET (I: insulated) hoặc IGFET (IG: insulated gate). MOSFETs được chia làm hai loại: Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFETs có kênh đặt sẵn và loại có kênh gián đoạn còn gọi là MOSFETs có kênh cảm ứng. MOSFETs có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V. Ở MOSFETs có kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn. Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P. a Cấu trúc và ký hiệu: -Không giống như Transitor thường được giới thiệu ở phần trên, chúng được điều khiển bằng dòng điện. Còn MOSFET được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển rất nhỏ, do vậy MOSFET có thể được điều khiển trực tiếp từ các đầu ra của các vi mạch công suất nhỏ. -Trên hình: 1.2.4-6. biểu diễn cấu trúc của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. trong đó G là cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn bởi lớp điện môi mỏng silicđioxit (SiO2) nhưng có cách điện rất lớn. Nếu kênh dẫn là kiểu n thì các hạt mang điện xẽ là các electron (các hạt điện tử) do đó cực tính điện áp của cực máng là cực dương, còn cực gốc thường nối với đế P. -Trên cấu trúc ký hiệu gạch chéo giữa D&S để chỉ ra rằng bình thường không có kênh dẫn nối giữa D và S. Hình1.2.4-6: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET b>Nguyên lý làm việc: Hình1.2.4-7: Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0. Giả sử UGS = 0.khi đó kênh dẫn hoàn toàn không xuất hiện và giữa cực S và cực D lúc này là tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, điện áp xẽ rơi hoàn toàn trên tiếp giáp này, còn dòng qua cực gốc và cực máng sẽ rất nhỏ. - Nếu UGS < 0 thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các lỗ (P) do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng vẫn hầu như không có (hình 1.2.4-7 a.). -Nếu UGS > 0 và đủ lớn thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển xẽ tích tụ các điện tử, như vậy một kênh dẫn đã được hình thành, lúc này dòng điện giữa cực máng và cực gốc chỉ phụ thuộc vào điện áp UDS (hình 1.2.4-7 b.) -Trên cấu trúc MOSFET hình (hình 1.2.4-7 c.) ta thấy rằng giữa cực gốc và cực máng tồn tại một tiếp giáp p-n, tương đương với một diode ngược nối giữa D và S, đó chính là ưu điểm của MOSFET. c> Đặc tính ra của transistor MOSFET kênh N: Hình 1.2.4-8: Họ đặc tính ra của MOSFET kênh N Trên đường đặc tính ta thấy khi đặt điện áp điều khiển nhỏ hơn một mức nào đấy cỡ 3V thì giữa cực máng và cực gốc điện trở rất lớn dòng qua đó gần bằng không. Khi điện áp cỡ 6-7V thì MOSFET sẽ trong chế độ dẫn, thông thường người ta điều khiển MOSFET bằng diện áp cỡ 15V để giảm điện áp rơi trên 2 cực D và S. khi đó UDS gần như tỷ lệ với dòng ID. MOSFET tác động rất nhanh có thể đóng, mở với tần số trên 100KHZ. Khi MOSFET dẫn dòng thì điện trở rất nhỏ khoảng 0,1 W đối với MOSFET -1000V và khoảng 1W với MOSFET -500V. Ngày nay người ta đã chế tạo được MOSFET với UDS tới 500V và ID tới hàng trục ampe. Vì vậy MOSFET được dùng nhiều để làm khóa điện tử vì chịu được tần số cao và nó giữ vai trò quan trong trong các thiết bị biến tần có khâu trung gian. 1.2.5. Thyristor: 1.2.5.1.Cấu tạo và kí hiệu: -Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 . Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G. Hình1.2.5-1 1.2.5.2.Đặc tính vôn – ampe. -Gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ nhất với UAK > 0, còn phần đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ ba với UAK < 0. a>Trường hợp IG = 0: *Khi UAK < 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận, khi đó dòng điện qua thyristor rất nhỏ. Gọi là dòng điện dò. -Nếu thực hiện tăng UAK đến giá trị nhỏ hơn Ung,max thì dòng điện qua thyristor cũng vẫn rất nhỏ. Nếu cứ tiếp tục tăng đến giá trị UAK > Ung,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện qua thyristor xẽ tăng lên rất lớn, quá trình này không đảo ngược lại được. *Khi UAK > 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược, lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện dò. -Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất Uth,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàng chảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận ( giống như diode). Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thể thay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi. b> Trường hợp IG > 0 . *Khi UAK > 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng IG > 0 thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn. Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với UAK nhỏ hơn. *Khi UAK < 0 thì quá trình sẩy ra cũng tương tự trường hợp IG = 0. 1.2.5.3.Mở và khóa thyristor: Hình 1.2.5-2: Mở thyristor Hình 1.2.5-3: Khóa thyristor a>Mở thyristor: -Có 2 phương pháp kích mở thyristor: * Phương pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tương đương trong mạch A – K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế. *Phương pháp thứ hai là: phân cực cho UAK >0, sau đó thực hiện đưa một dòng điện có giá trị nhất định vào cực G. Khi đó thyristor xẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang thấp, nên có dòng điện đi qua thyristor. -Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng mà không cần xung điều khiển nữa. Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có công suất rất nhỏ so với mạch lực. b>Khóa thyristor: -Để khoa thyristor lại cần phải giảm dòng qua A-K về dưới mức dòng duy trì (Idt), và đặt một điện áp ngược lên thyristor trong thời gian tối thiểu. 1.2.5.4.Các thông số cơ bản của Thyristor: -Giá trị dòng trung bình cho phép qua thyristor, IV,trb. Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của tinh thể Thyristor không được vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn để làm mát tự nhiên, ngoài ra Thyristor còn có thể được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để làm mát nhanh hơn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện qua Thyristor theo các điều kiện làm mát sau: +Làm mát tự nhiên dòng sử dụng cho phép đến 1/3 IV,trb. + Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió dòng sử dụng cho phép đến 1/2 IV,trb. + Làm mát cưỡng bức bằng nước dòng sử dụng cho phép đến 100% IV,trb. -Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ung,max. Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristo. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào UAK luôn nhỏ hơn Ung,max. Ngoài ra còn phải đảm bảo một độ dự trữ điện áp, nghĩa là Ung,max phải được ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ. -Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor. tr (ms). Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lê giữa anot – catot của thyristor sau khi dòng qua thyristor đã về bằng không, trước khi có thể có điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khóa. Tr là thông số rất quan trọng của thyristor, nhất là khi sử dụng trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc, hoặc nghịch lưu độc lập. Trong đó luôn phải đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 – 2 lần tr. -Tốc độ tăng điện áp cho phép (v/ ms) Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù khi được phân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi thyristor được phân cực thuận phần lớn điện áp được đặt lên tiếp giáp J2 như trên hình vẽ sau: Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dầy của nó rộng ra, tạo nên vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung CJ2. Khi đó điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá tri đáng kể, nó đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Hiệu ứng du/dt tác dụng như dòng điều khiển Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt các thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao. ở thyristor tần số thấp vào kgoảng 50 ¸ 200V/ms. Với các thyristor tần số cao có thể đạt đến 500 ¸ 2000 V/ms -Tốc độ tăng dòng điện cho phép (A/ ms). Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chảy qua bắt đầu ở một số điểm gần ở cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn điện ban đầu quá lớn, dẫn đến sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó có thể dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng điện cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có giá trị khoảng 50 ¸ 100A/ms. với các thyristor tần số cao có khoảng 500 ¸ 2000A/ms. Trong các bộ biến đổi phải luôn có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng điện luôn nhỏ hơn giá trị cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với những điện kháng nhỏ, lõi không khí, hoặc đơn giản hơn là các lõi xuyến ferit được lồng lên nhau. Các lõi xuyến ferit được dùng rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tích chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dân xcòn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì vậy điện kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức đi qua dây dẫn. 1.2.5.5 Đặc tính điều khiển Đặc tính điều khiển cho quan hệ giữa điện áp UG theo dòng điện IG có dạng gần giống như ở Diode. Đối với các Thyristor có cùng một series, do sự phân tán của các đặc tính trong các miền P2 và N2, các đặc tính này tạo nên một miền giữa các giới hạn max và min của điện trở. Hình 1.2.5 -4. Đặc tính điều khiển của Thyristor Trên đặc tính điều khiển miền gạch chéo đảm bảo Thyristor được mồi chắc chắn. Đường nét đứt là đường giới hạn công suất điều khiển (UGM.IGM) cực đại. UGM giới hạn điện áp điều khiển cực đại IGM giới hạn dòng điện điều khiển cực đại IG dòng điện điều khiển nhỏ nhất ở nhiẹt độ bất kỳ UG điện áp điều khiển nhỏ nhất ở nhiệt độ bất kỳ Đặc tính dòng - áp của Thyristor ở trạng thái dẫn có thể được làm gần đúng bằng đoạn thẳng, nên ta có: UT = UO + r.iT Khi nhiệt độ tăng thì r tăng còn UO giảm. 1.2.6. Triac (Triode Alternative Current) a. Cấu trúc và ký hiệu Hình 1.2.6-1: Cấu trúc và ký hiệu của Triac Hình 1.2.6-2: Đặc tính vôn - ampe của Triac -Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp tiếp giáp, có đường đặc tính vôn – ampe đối xứng, nhận góc mở a trong cả hai chiều. Như vậy triac được dùng để làm việc trong các mạch điện xoay chiều, và có tác dụng như hai thyristor đấu song song ngược. Vì vậy định nghĩa dòng thuận hay dòng ngược đều không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn Triac thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Giống như Thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua Triac. Triac sẽ ngắt theo quy luật như đã giải thích đối với Thyristor. b. Đặc tính V-A Đặc tính V-A của Triac tương tự như của Thyristor do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều đặc tính của Triac có dạng đối xứng qua tâm toạ độ. Việc kích mở Triac có thể chia ra làm các trường hợp: Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT2T1> 0 Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 Mở bằng xung điều khiển UGT1 0 Mở bằng xung điều khiển UGT1> 0 khi UT1T2> 0 Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tuỳ ý, nhưng thực tế việc kích thuận lợi hơn khi dòng kích dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. c> Các tham số cơ bản -Dòng điện định mức Iđm (A):dòngđiện hiệu dụng cho phép đi qua triac trong một thời gian dài khi triac mở. - Điện áp ngược cực đại Ungmax (V): điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào triac trong một thời gian dài khi triac khoá. - Điện áp rơi trên triac U (V): điện áp rơi trên triac khi triac mở với dòng qua triac bằng dòngđiện định mức. -Dòng điện điều khiển Ig:dòng điện điều khiển đảm bảo mở triac. 1.2.7. Diac Về cấu tạo, DIAC giống như một SCR không có cực cổng hay đúng hơn là một transistor không có cực nền. Hình 1.2.7 -1 sau đây mô tả cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương của DIAC. Hình1.2.7- 1 Khi đặt một hiệu điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đat đến giá trị điện thế VBO, DIAC dẫn điện và khi đặt một hiệu thế theo chiều ngược lại và khi tăng đến trị số -VBO, DIAC cũng dẫn điện, DIAC thể hiện một điện trở âm (điện thế hai đầu DIAC giảm khi dòng điện qua DIAC tăng). Từ các tính chất trên, DIAC có thể coi tương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu. Thực tế, khi không có DIAC người ta có thể dùng hai Diode Zener có điện thế Zener thích hợp để thay thế trong ứng dụng (Hình 1.2.7-1), DIAC thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn (Hình 1.2.7-2) Trên sơ đồ hình1.2.7-2 ta thấy ở nửa chu kỳ dương thì tụ nạp điện cho đến giá trị điện thế VBO thì DIAC dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, Triac ngưng dẫn điện. Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -VBO, DIAC dẫn điện kích cho Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời gian nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng . Hình 1.2.7-2 1.2.8. Diode đệm Diode đệm (còn gọi là Diode phóng điện, Diode hoàn năng lượng) là Diode mắc song song ngược với một phụ tải điện một chiều có tính chất cảm kháng (hình1.2.8-1). Diode đệm D0 có hai nhiệm vụ: - Khi phụ tải làm việc, Diode đệm D0 chịu điện áp ngược và ở trạng thái khoá. Dòng điện tải được cấp từ nguồn một chiều (hình 1.2.8-1a). Khi ngắt nguồn (U= 0), do s.đ.đ tự cảm của của cảm kháng phụ tải lúc ngắt mạch, dòng cảm ứng trong phụ tải khép kín qua Diode D0 (hình 1.2.9-1a). Nếu không có Diode D0, điện cảm ứng lớn sẽ đặt lên các phần tử nguồn và có thể phá hỏng chúng, đánh thủng cách điện và nguy hiểm cho người. - Đảm bảo dòng điện liên tục cho tải. Hình 1.2.8-1 Diode đệm nối vào mạch có tính chất cảm kháng để tránh sự giảm về 0 đột ngột của dòng điện Bình thường, dòng điện phụ tải có tính chất cảm kháng do nguồn cung cấp. Khi dòng điện phụ tải giảm (đột ngột) hoặc bị ngắt rồi lại có, trong phụ tải sẽ xuất hiện điện áp cảm ứng qúa độ rất lớn, dẫn đến các nguy hiểm đã nêu cho thiết bị và nguồn. Diode D0 sẽ cho dòng cảm ứng khép kín qua nó và duy trì dòng tải. Dòng cảm ứng phóng qua D0 có độ lớn tuỳ thuộc năng lượng điện từ tích luỹ trong cuộn dây phụ tải tức là tuỳ thuộc trị số độ tự cảm L nhỏ hay lớn. Cường độ dòng điện phóng giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian: t = L/R Nếu t >> T (T- chu kỳ điện áp hình sin) thì cường độ dòng điện qua tải coi như không đổi. 1.2.9. MOSFET ((Insulated Gate Bipolar Transitor) a>Cấu trúc và ký hiệu: - MOSFET là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải của transistor thường. MOSFET cũng là phần tử được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển rất nhỏ, dạng tín hiệu thường là các xung điện áp ±15V. -Cấu trúc của MOSFET cũng đưa ra ba cực Emitor, colector, và cực điều khiển. Nhưng MOSFET khác với MOSFET ở chỗ giữa E & C là cấu trúc bán dẫn p-n-p chứ không phải n-n. Có thể coi MOSFET giống như một transtor được điều khiển bởi một MOSFET. Hình 1.2.9-1 a> Cấu trúc MOSFET, b> Cấu trúc MOSFET tương đương một tranzitor với một MOSFET, c> Ký hiệu MOSFET b>Nguyên lý làm việc: -Phân cực cho MOSFET sao cho UCE > 0, sau đó cấp vào cực G một điện áp điều khiển UGE > 0 với một giá trị đủ lớn. Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện tử giống như MOSFET. Các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp p-n tạo nên dòng colector. -Thời gian đóng cắt của MOSFET nhanh hơn transistor thường, trễ khi mở khoảng 0,15ms , trễ khi khóa khoảng 1ms. công suất điều khiển MOSFET rất nhỏ thường dạng điện áp điều khiển là ±15V. Để mở thường cấp tín hiệu +15V, để khóa thường cấp tín hiệu là -15V. 1.2.10. GTO (GATE TURN-OFF Thyristor ) a> Cấu trúc và ký hiệu: Hình 1.2.10-1 Cấu trúc GTO Hình 1.2.10-2 Ký hiệu GTO - Cấu trúc GTO phức tạp hơn so với các thyristor thường, và ký hiệu của GTO cũng thể hiện được tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điều khiển đi vào dùng để mở GTO, còn dòng điều khiển đi ra dùng để khóa GTO. - Cấu trúc bán dẫn GTO lớp P, anôt được bổ sung các phần bán dẫn kiểu n. Dấu + bên cạnh ký hiệu kiểu dẫn điện p (lỗ), hoặc n (điện tử) được chỉ ra rằng mật độ các hạt mang điện tích được làm giàu thêm. Kết quả các vùng đó điện trở suất riêng rất nhỏ. Cực điều khiển của GTO được nối vào lớp p thứ ba, nhưng được chia nhỏ và phân bố đều so với n+ của anot b> Phương pháp kích mở và ứng dụng Một tiristor thông thường khi đã được kích mở cho dòng điện chảy qua vẫn tiếp tục ở trạng thái mở chừng nào dòng điện chảy qua nó hãy còn lớn hơn hay bằng dòng điện duy trì IH. Đối với GTO, việc kích mở cho dòng điện chảy qua nó và việc cắt dòng điện này, đều được thực hiện từ cực điều khiển G. Do đó, trong các thiết bị biến tần và các thiết bị băm điện áp, thay vì các tiristor thông thường, người ta dùng các GTO thì có thể loại bỏ được các phần tử chuyển mạch. GTO - trong thập kỷ 80, có thể chịu được dòng điện 800A (trị hiệu dụng) và điện áp 4500V (trị cực đại). *) Ưu điểm của GTO: Cấu hình mạch công suất đơn giản hơn. Thể tích và trọng lượng nhỏ hơn. Không gây ra nhiễu điện và nhiễu âm. Không có tổn thất chuyển mạch, và hiệu suất cao. So với tranzitor công suất thì GTO chịu được dòng và áp lớn hơn nhiều. *) Kích mở GTO: Kích mở GTO được thực hiện như đối với tiristor thông thường. Thời gian kích mở ton rất ngắn so với tiristor. *) Khoá GTO: Để khoá GTO, người ta đặt một điện áp âm URG vào cực điều khiển. Mạch điện đơn giản điều khiển kích mở và khoá GTO được trình bày theo hình vẽ sau: Hình 1.2.10-3. Mạch điều khiển mở và khóa GTO. Khi Uc là một xung áp dương, tranzitor T1 mở, dòng điện từ nguồn E chảy vào cực G qua T1, R1, C1. GTO mở cho dòng chảy qua. Tụ điện C1 được nạp đến điện áp 12V. Để khoá GTO, người ta cho Uc là một xung áp âm, T1 bị khoá, T2 mở, tụ điện C1 phóng điện qua T2 - K - G - C1. GTO bị khoá lại. *) Ứng dụng của GTO: GTO được ứng dụng trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, trong mạch chỉnh lưu cầu một pha và trong mạch báo động khi quá nhiệt, quá áp suất… - PHẦN 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 2.1. Nghịch lưu độc lập. 2.1.1. Các khái niệm cơ bản: Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện. Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu. Vậy nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều. Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại: Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều và sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ắc quy, máy phát một chiều ....). Nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển. Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở µ của các tiristo thoả mãn điều kiện (p/2 < a <p ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều.Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều. Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý. Tần số và điện áp nghịch lưu. Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính. Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản: - Nghịch lưu độc lập điện áp. - Nghịch lưu độc lập dòng điện. - Nghịch lưu độc lập cộng hưởng. Nghịch lưu độc lập điện áp được cung cấp từ nguồn áp độc lập. Sự hình thành đường cong xoay chiều khoá tương ứng theo một thuật toán nhất định các khoá có thể là tiristo, tranzito.... Nghịch lưu độc lập nguồn dòng là loại nghịch lưu mà được cung cấp từ nguồn dòng một chiều. Nghịch lưu cộng hưởng, khác với hai dạng nghịch lưu trên ở chỗ các quá trình xẩy ra trong mạch qua các khoá được đặc trưng bởi nguồn cung cấp và các cuộn cảm được mắc thêm vào hay có sẵn của tải. Chính vì thế mà dòng ở mạch tải có dạng gần sin. 2.1.2. Nghịch lưu dòng một pha. Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp nguồn cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào (Ld) thường có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục. a) Nguyên lý làm việc: Sơ dồ nghịch lưu dòng một pha được trình bày như trên hình (sơ đồ cầu) và hình (sơ đồ có điểm trung tính). *) Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristor T1, T2 thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3, T4 một góc 1800. Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn (Ld = ∞), do đó dòng điện đầu vào được san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng dạng dòng điện của nghịch lưu (iN) có dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồng thời, dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iZ = Id = const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp van T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khóa lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó, tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phải và “-” ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu. Hình 3.2. Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha. Đến thời điểm (t = t2) người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước. Như vậy, chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristor. Ở thời điểm t1, khi mở T3, T4, tiristor T1, T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên. Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 ÷ t’1 = tk ≥ toff; toff là thời gian khóa của tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. ω.tk = β là góc khóa của nghịch lưu. b) Ảnh hưởng của điện cảm đầu vào Ld đối với chế độ làm việc của nghịch lưu: Dòng điện vào của nghịch lưu (id) ảnh hưởng lớn đối với chế độ làm việc của nó. Dòng đầu vào phụ thuộc vào giá trị của điện cảm Ld. Hình 3.3. Ảnh hưởng của điện cảm Ld đối với chế độ làm việc của nghịch lưu. a) Ld = ∞; b) Ld hữu hạn nhưng dòng Id là liên tục; c) Dòng Id gián đoạn. Nếu điện cảm vào đủ lớn , dòng điện được san phẳng, nguồn vào thực chất là nguồn dòng. Dạng dòng qua tiristor là dạng xung chữ nhật, do đó dòng điện của nghịch lưu cũng là dạng xoay chiều dạng xung chữ nhật, và thời gian khóa (tk) của nghịch lưu là lớn nhất. Khi điện cảm đầu vào chiếm một giá trị trung bình nào đó mà vẫn đảm bảo dòng là liên tục , lúc này dạng sóng điện nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hòa bậc cao. Dạng điện áp gần với hình sin hơn, nhưng thời gian khóa của tiristor bị giảm xuống. Khi dòng điện vào là gián đoạn, giá trị điện cảm không đủ để duy trì nguồn là nguồn dòng thì thời gian tk là bé nhất. Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch của tiristor. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn luôn đảm bảo là nguồn dòng. c) Ảnh hưởng của phụ tải đối với với chế độ làm việc của nghịch lưu: Ta xét trường hợp Ld = ∞ (điện cảm vô cùng lớn). Sơ đồ trên hình 3.2 có thể thay thế bằng sơ đồ hình 3.4a. Hình 3.4. a) Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha. b) Ảnh hưởng của tải đối với điện áp. Ta có phương trình của điện áp trên tải: . Từ phương trình trên ta thấy điện áp trên tải biến thiên theo quy luật hàm mũ cơ số e. Khi thay đổi phụ tải như giảm dòng tải, dòng qua tụ sẽ ít thay đổi vì (nguồn dòng), do đó điện áp trên tải sẽ có dạng là những đường gần tuyến tính (đường 1 trên hình 3.4b), góc khóa β = ω.tk ≈ π/2., với tk là thời gian khóa của nghịch lưu. Nghịch lưu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải, vì nếu Rt → ∞ thì Ut → ∞ và id → ∞. Trên thực tế khi Rt lớn vô cùng thì điện áp trên tải cũng tiến đến giá trị rất lớn, do đó quá trình chuyển mạch không thể thực hiện được, cũng như không có thiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn như vậy. Ngược lại, khi tăng phụ tải (tương đương với việc giảm giá trị Rt), lúc này dòng nạp cho tụ sẽ giảm, ngược lại dòng phóng của tụ qua tải sẽ tăng lên. Điều đó dẫn đến giảm năng lượng tích trữ trong tụ, dạng điện áp trên tải sẽ có dạng gần với hình chữ nhật, nhưng góc β cũng giảm đáng kể và ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch của nghịch lưu (đường 2 hình 3.4b). Thời gian tk là thời gian duy trì điện áp ngược đặt lên tiristor. Góc khóa β của nghịch lưu phụ thuộc vào tần số, phụ tải và tụ chuyển mạch. Để thỏa mãn điều kiện làm việc của nghịch lưu thì βmin > ω.toff. 2.1.2. Nghịch lưu dòng ba pha. Trong thực tế, nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì công suất của nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp. Hình 3.5. Nghịch lưu dòng ba pha (a) và biểu đồ xung (b). Cũng giống như nghịch lưu dòng một pha, nghịch lưu dòng ba pha cũng sử dụng tiristor. Do đó, có thể khóa được các tiristor cần phải có tụ chuyển mạch (C1, C3, C5). Vì là nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn dòng, vì vậy Ld = ∞. Để đảm bảo khoá được các tiristor và tạo ra hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện của các tiristor phải tuân theo đồ thị trên hình vẽ. Qua đồ thị, ta thấy mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ = 1200. Qúa trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm. Xét khoảng thời gian 0 ÷ t1: lúc này T1 và T6 dẫn. Dòng điện sẽ qua T1, ZA, ZB và T6. Đồng thời sẽ có dòng nạp qua tụ C1 qua T1 - C1- T6. Khi tụ C1 được nạp đầy thì dòng qua tụ bằng không. Tụ C1 được nạp với dấu điện áp (như hình 3.5a) để chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khoá T1. Tại thời điểm t = t2, khi mở T3, điện áp ngược của tụ C1 đặt lên T1 bị khoá lại. Tương tự như vậy, khi T2 và T3 dẫn (t2 ÷ t3) thì tụ C3 được nạp với dấu điện áp để chuẩn bị khoá T3... Đối với nhóm catốt chung T2, T4, và T6, quá trình chuyển mạch cũng diẽn ra như vậy. Ví dụ tụ C5 được nạp trong khoảng t1 ÷ t2 (khi T1 và T2 dẫn) với dấu đảm bảo để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3. Để tính toán nghịch lưu dòng người ta cũng sử dụng phương pháp tính vectơ. Đưa vào Ut, It và φ ta dựng vectơ Ut và It. Cần xác định dải điều chỉnh để xác định βmax. Sau đó từ điểm đầu của vectơ It kẻ đường AD vuông góc với Ut. Đoạn AD chính là vectơ IC. Vectơ IC gồm hai đoạn: - Đoạn AC tương ứng với IC1 dùng để bù công suát phản kháng của tải: IC1 = It.sinφ. - Đoạn CD dùng để tạo góc β tương ứng với IC2: IC2 = It.cosφ.tgβ. IC = IC1 + IC2 = It.(sinφ + cosφ.tgβ). XC = và C = . Dòng trung bình qua tiristor có thể suy ra từ đồ thị: IT = ID/2. Điện áp nguồn lớn nhất được giới hạn bởi góc βmax: Umax = . Hình 3.6. Đồ thị vectơ. Như đã nói ở mục nghịch lưu nguồn dòng một pha, vì tải luôn luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên giữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng. Để giảm ảnh hưởng của tải đến quá trình nạp tụ C, người ta sử dụng diode ngăn cách (D1, D2, D3, D4, D5, D6). Việc sử dụng các diode này đồi hỏi phải chia tụ chuyển mạch làm hai nhóm : nhóm C1, C3, C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1, T3, T5; còn nhóm C2, C4, C6 dùng để chuyển mạch cho các van T2, T4, T6. Nghịch lưu dòng, như đã phân tích ở trên không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng mà còn phát ra công suất tác dụng vì: dòng id không đổi hướng, nhưng dấu điện áp trên hai đầu nguồn có thể đảo dấu. Điều đó có nghĩa khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều thì động cơ có thể thực hiện quá trình hãm tái sinh. Hình 3.7. Nghịch lưu dòng ba pha có diode ngăn cách. 2.1.4. Nghịch lưu áp một pha. Nghịch lưu áp là thiết bị đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tuỳ ý. Nguồn áp là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa, điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa, việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay, công suất các van động lực như: MOSFET, GTO càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó, sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày dưới đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Trong quá trình nghiên cứu, ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không. *) Cấu tạo: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy, tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, và điện áp đầu vào được san phẳng). *) Nguyên lý làm việc: Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ2) cặp van T1, T2 dẫn điện; phụ tải được đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải là Ut = E (hướng dòng điện là đường nét đậm). Tại thời điểm 0 = θ2, T1 và T2 bị khoá, đồng thời T3 và T4 mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = -E tại thời điểm θ2. Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm). T1, T2 đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt). Hình 3.8. Nghịch lưu áp cầu một pha. Tương tự như vậy, khi khoá cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2. Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải it, dòng qua diode iD và dòng qua tiristor được biểu diễn như trên hình 3.9. Hình 3.9. Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha. 2.1.5. Nghịch lưu áp ba pha. Hình 2.10. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính. Để đơn giản hoá việc nghiên cứu ta giả thiết: - Van lý tưởng đóng mở tức thì. - Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều. - Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4 , T5, T6) làm việc với chế độ dẫn điện λ = 1800. - Za = Zb = Zc. Hình 2.11. Luật điều khiển và điện áp trên tải. Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải. Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng, luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị như trên hình 2.11a, b, c. Như vậy: T1 và T4 dẫn lệch nhau 1800 để tạo ra pha A; T3 và T6 dẫn lệch nhau 1800 để tạo ra pha B; T2 và T5 dẫn lệch nhau 1800 để tạo ra pha C; Các pha lệch nhau 1200. Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau: - Trong khoảng 0 ÷ t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như trên hình 2.11a. từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = E/3. - Trong khoảng t1 ÷ t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như trên hình 2.11b. từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = 2E/3. - Trong khoảng t2 ÷ t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như trên hình 2.11c. từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = E/3. Suy ra dạng điện áp trên các pha: UZA, UZB, UZC sẽ có dạng như hình 2.11d, e, f. Hình 2.12. Sơ đồ thay thế a, b, c. Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là: . Suy ra: UA(t) = . UB(t) = . UB(t) = . PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BOARD MẠCH 3. Tính toán và thiết kết mạch động lực 2.1. Tính toán máy biến áp Lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và mặt kĩ thuật phương án lựa chọn này là tối ưu Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 30VA Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất của máy biến áp ta giả định chọn: P = .U2.I2 = 30(W) Trong đó: P là công suất của máy biến áp U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp là hiệu suất máy biến áp Chọn = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp I2 = = 0.16 ( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp I1 = Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V ) I1 = = 1.5( A ) Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 . I1 = 24 . 1.5 = 36 (VA) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 50VA với I = 2A 3.2. Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau: + Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp + Làm việc với điện áp cao + Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản 3.2.1. Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET - Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuụon dây sơ cấp máy biến áp: I = 1.5 A (Ta chọn phương thức làm mát bằng cánh tản nhiệt) Chọn MOSFET có dòng làm việc là: Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = Kdc.12 = (1.6-2)*12 = 24 (V). Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V là được. Từ các điều kiện tính toán trên ta đi chọn van: IRF 540 với các tham số như sau: * Tính toán tản nhiệt - Theo datasheet của hãng chế tạo IRF540 ta biết nhiệt độ TJmax = 1750C. RJV = 0.57 (0C/W). Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 400C. Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là Tr = Tj – RJV. DP Trong đó Theo datasheet của hãng chế tạo IRF540 ta biết được tổn hao cực đại là 85W. Tr = Tj – RJV. DP = 175 – 0.57*85 = 126,5 (0C) Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường là : Diện tích bề mặt tản nhiệt : Trong đó: Km là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 w/m2 0C Diện tích cánh tản nhiệt : Stảnnhiệt = * Tính chọn cầu chì - Mạch điện được tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA là 2A. Để tránh hiện tượng làm việc quá tải hay ngắn mạch gây sự cố phá hỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ là cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm việc được xác định ICC = K.I = 1,5* 2 = 3 (A) Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2A ; điện áp 250V loại cắt nhanh. * Mạch bảo vệ quá áp sử dụng rơle và KĐTT 741 được thiết kế trên sơ đồ nguyên lý. 3.3.Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : * Nhiệm vụ Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển mở bằng xung và khoá bằng xung nên mạch điều khiển phải có các chức năng sau : - Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên colector và emitor của van . - Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khoá van trong nữa chu kì còn lại . - Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc chắn . - Tạo ra đươc tần số theo yêu cầu . - Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định . - Cách ly với mạch động lực * Yêu cầu chung về mạch điều khiển là : - Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau : * Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển: Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn. Tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép . * Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển : Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van . * Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy trong mọi môI trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từ truờng... * Yêu cầu về lắp ráp và vân hành : Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp . . . 3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển: Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng vi mạch CD4047B có các thông số sau : Sơ đồ chân của vi mạch như sau: Cấu trúc của vi mạch như sau: Hoạt động của IC như sau: Hoạt động của chân astable được phép khi đạt đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc của 2 chân. Độ rộng của xung vuông của Q và là hàm của đầu vào phụ thuộc vào RC Chân 5 astable cho phép mạch làm bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5. Độ rộng xung ở chân 13 bằng 1/2 đầu ra Q trong chế độ astable. Tuy nhiên điều này chỉ đúng 50% Trong chế độ ổn định đơn khi có sườn dương ở đầu vào +trigger(8) khi chân trigger(6) ở mức thấp các xung đầu vào có thể thuộc bất kỳ thời điểm nào tương ứng với xung đầu ra Chân 12 cho phép kích mở trở lại khi nó là xung dương Đặc điểm của vi mạch như sau: - Công suất tiêu thụ thấp - Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định - Các đầu ra ổn định ở mức các thể bù bổ xung chỉ yêu cầu một tín hiệu duy nhât ngoài R hoặc C các đầu vào có điệm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20Vđược chuẩn hoá đặc tính , đặc tính ở đầu ra chuẩn và đối xứng. Ta tính toán để có được xung ra là 50Hz như sau: Thay số: V = 12 V V= 50% V Với f = 50 (hz) T = 0.02 (s) 4.4 RC = 0.02RC = 4.55*10 Chọn tụ Có C = 0.1 R = 45 K Chọn biến trở có R = 50 K để điều chỉnh Điện áp U ở Q và = 0.05 V U ở Q và = 11 V Dạng sóng đầu ra: * Sơ đồ nguyên lý: * Sơ đồ bố trí thiết bị: * Sơ đồ mạch: KẾT LUẬN Sau quá trình thực hiện bản đồ án chúng em đã thu được một số kết quả như sau: + Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha + Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha. + Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha. + Đặc biệt là chúng em đã hoàn thiện sản phẩm của mình theo yêu cầu đã đặt ra cụ thể: * Điện áp ra URMS = 220 V khi tải định mức. * Bảo vệ quá nhiệt độ bằng tản nhiệt và quạt gió * Bảo vệ quá dòng bằng cầu chì. * Bảo vệ quá điện áp đặt tại giá trị 250VAC. Tuy nhiên bản đồ án của chúng em còn có nhược điểm là chưa ổn định được điện áp ra khi tải lớn. Với sự cố gắng nỗ lực của mỗi thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án của mình theo đúng thời gian. Một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt là thầy Nguyễn Văn A đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong việc hoàn thành đồ án. Chúng em rát mong nhận được những ý kiến nhận xét, góp ý của các thầy cô và các bạn để bản đồ án của cúng em hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, tháng 6 năm 2009. MỤC LỤC