Luận văn Đề Tài:Thiết kế và thi công
bộ thí nghiệm điện tử
công suất
LỜI NÓI ĐẦUChúng ta đang bước vào thế kỷ 21, thế kỷ của những tiến bộ về khoa học kỹ thuật.
Sự tiến bộ của kỹ thuật sẽ giúp thay đổi toàn bộ cuộc sống của chúng ta. Trong giai đoạn
công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, VIỆT NAM muốn phát triển một cách vững
mạnh thì phải chú trọng đến việc đầu tư cho giáo dục. Trong đó, nghành giáo dục cần phải
nâng cao chất lượng lẫn số lượng đào tạo.
Muốn nâng cao chất lượng giáo dục đòi hỏi chúng ta phải đầu tư, phát triển các mô
hình dạy học. Mô hình dạy học giúp giảm chí phí đào tạo và nâng cao chất lượng giảng
dạy. Học sinh có dòp làm quen với các mô hình giống với các hệ thống điều khiển trong
thực tế, do đó có thể rút ngắn được khoảng cách giữa lý thuyết và thực tế.
Do vậy các Trường học nói chung, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói riêng
đang đầu tư, phát triển các công cụ dạy học mang tính chất mô phỏng nhằm giúp cho sinh

loài người đang bước sang niên kỷ mới chắc chắn cần thiết sản phẩm đào tạo có nhiều chất
xám. Muốn được vậy, Ngành Đào Tạo cần phải đầu tư những thiết bò dạy học, mô hình dạy
học phù hợp cho từng đối
tượng đào tạo.
Đứng trước những yêu cầu thực tiễn trên, Nhóm sinh viên chúng em xin thực hiện đề
tài mô hình dạy học :’’BỘ THÍ NGHIỆM
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
’’.
Mục đích của Nhóm thực hiện là xây dựng dụng cụ dạy học ,bài học thực tập cho
sinh viên của Khoa Điện. Qua đó giúp cho sinh viên hiểu rỏ về các linh kiện điện tử công
suất và các ứng dụng của nó.
II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .
Với đề tài mang tính thực tiễn ,vấn đề thực hiện việc thiết kế ,thi công và xây dựng
mô hình cũng như bài thực tập của nhóm hoàn chỉnh thật sự có những ứng dụng rộng rãi
trong các Trường Kỹ Thuật. Đó là điều mà nhóm thực hiện mong muốn đạt được.
Tuy nhiên thời gian, kiến thức có hạn cũng như những hạn chế khách quan khác nên
đề tài không đi sâu điều khiển động cơ một chiều bằng tất cả các phương pháp mà chỉ tập
trung điều khiển động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp. Đồng thời xây dụng một mô hình
dạy học sao cho vừa an toàn vừa đảm bảo đúng phương pháp sư phạm kỹ thuật.
Tóm lại nội dung thực hiện bao gồm ;
 Khảo sát mạch điều khiển điện áp bằng cách thay đổi độ rộng xung.
 Thiết kế và thi công mạch điều khiển điện áp một chiều bằng phương pháp
thay đổi biến đổi độ rộng xung.
 Thiết kế và thi công mô hình dạy học, xây dựng các bài thực tập dựa trên mô
hình.
Ngoài ra nhóm thực hiên chưa thực hiện mô hình điều khiển cho một đối tượng tải
bất kỳ bằng vòng kín để nâng hiệu quả trong ứng dụng thực tế.
III.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .
Việc vận dụng môn điện tử ứng dụng để điều chỉnh bằng phương pháp trên cho

5.
Raymond M.Marston
Người Dòch : Ngô Đức Hoàng
110 MẠCH ỨNG DỤNG 0P –AMP
Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1990
6. R.H.Warring
SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHO NGƯỜI THIẾT KẾ MẠCH
Nhà Xuất Bản Thống Kê
7.
Joseph Vithayathil
POWER ELECTRONICS Principles and Application
McGraw-Hill, Inc
C.J.SAVANT,Jr
MARTIN S.RODEN
GORDON L. CARPENTER
ELECTRONIC DESIGN


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM TẠ.
LỜI NÓI ĐẦU.
PHẦN DẪN NHẬP.
I. Đặt vấn đề. 1
II. Giới hạn vấn đề. 1
III. Mục đích nghiên cứu.
PHẦN CƠ SỞ LÝ LUẬN.
I. Thể thức nghiên cứu. 2
II. Cơ sở lý luận. 3
PHẦN NỘI DUNG

46

KẾT LUẬN
MỤC LỤC

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


Đồ án tốt nghiệp thực chất là một quá trình nghiên cứu khoa học - quá trình nhận thức
và hành động. Quá trình này đòi hỏi phải có thời gian nhất đònh tương xứng với nội dung của
đối tượng nghiên cứu và tính chất phức tạp của vấn đề nghiên cứu.
Việc nghiên cứu khoa học giúp ta tìm ra cái mới. Cái mới ở đây không những mang tính
chủ quan của người nghiên cứu mà còn mang tính khách quan đối với xã hội. Nghiên cứu khoa
học phải nhằm mục đích phục vụ xã hội, đáp ứng yêu cầu thực tiễn.
Hoạt động ngiên cứu khoa học muốn đạt kết quả tốt phải hội đủ các yếu tố :
Phương tiện, phương pháp, cơ sở vật chất, máy móc thiết bò, hình thức tổ chức. Các yếu
tố này có mối quan hệ hữu cơ và phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
CÁC CƠ SỞ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1. Kiến thức và năng lực người nghiên cứu :
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài người nghiên cứu cần phải cân nhắc kỹ
độ khó và độ phức tạp của đề tài sao cho phù hợp với khả năng, kiến thức và năng lực của
người nghiên cứu.
Độ phức tạp của đề tài thể hiện ở các mặt : lónh vực nghiên cứu rộng hay hẹp, ở một
ngành hay liên ngành, đối tượng nghiên cứu là đồng nhất hay không đồng nhất. Tuy nhiên cần
lưu ý rằng giá trò của đề tài không phụ thuộc vào độ phức tạp của nó. Đề tài hẹp chưa hẳn là
đề tài kém giá trò. Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có một phạm vi nhất đònh, phạm vi này
càng hẹp thì sự nghiên cứu càng sâu. Độ khó của đề tài nói lên tính vừa sức đối với người
nghiên cứu. Do đó độ phức tạp của đề tài thường có mối liên hệ tương hổ với độ khó của nó.
Kiến thức của người nghiên cứu (đây là điều kiện chủ quan ở người nghiên cứu). Trước
hết đó là vốn liếng, kinh nghiệm của người nghiên cứu.
Giáo sư Hà Văn Tấn đã nhận xét : “Trình độ học sinh, sinh viên hiện nay không cho
phép họ ngay từ đầu chọn được đề tài nghiên cứu. Vì vậy phải có sự gợi ý của thầy cô
giáo….” . Mỗi đề tài nghiên cứu khoa học có những yêu cầu nhất đònh của nó. Người nghiên
cứu cần nắm vững nội dung, phương pháp nghiên cứu phù hợp với đề tài, nói khác đi đề tài
nghiên cứu phải mang tính vừa sức.
Người nghiên cứu phải thể hiện năng lực nghiên cứu khoa học bao gồm việc nắm vững

quả nghiên cứu. Người nghiên cứu càng nắm chắc các yếu tố khách quan đó bao nhiêu thì kết
quả nghiên cứu càng được khẳng đònh bấy nhiêu .
CHƯƠNG II : KHẢO SÁT PHẦN ĐỘNG LỰC.
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
Trong thời đại ngày nay, hầu hết các dây chuyền sản xuất đang dần dần được tự động hóa
bằng cách áp dụng các kỹ thuật tiên tiến của khoa học kỹ thuật. Tuy thế, động cơ điện một
chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Nó có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy
máy được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như
cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
1. Cấu tạo :
Động cơ điện một chiều gồm hai phần : Phần tónh (stator) và phần quay (rotor).
Phần tónh là phần đứng yên của máy. Nó thường bao gồm các bộ phận sau :
– Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường chính trong vỏ máy, gồm có lõi sắt cực từ
và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép
kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5  1 mm ép chặt lại với nhau.
– Cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều giúp cho
máy điện làm việc không có tia lửa xảy ra giữa chổi điện và vành đổi chiều. Lõi
thép cực từ cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt
dây quấn.
– Gông từ : dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
– Các bộ phận khác như Nắp máy để bảo vệ, Cơ cấu chổi than.
Phần quay gồm có những bộ phận sau :
– Lõi sắt phần ứng : dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày
0,5 mm được phủ lớp cách điện và ghép chặt lại với nhau.
– Dây quấn phần ứng : là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
– Các bộ phận khác như cánh quạt dùng để quạt gió làm nguội máy, trục máy để đặt
lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều :
Động cơ điện một chiều là một thiết bò biến đổi năng lượng của dòng một chiều thành cơ

ư
I
ư
Trong đó : M : momen điện từ.

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

E
ư
: suất điện động phần ứng.
3. Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa hai thông số : tốc độ quay của trục và momen
do động cơ sinh ra trong quá trình làm việc ở trạng thái đònh mức. Đặc tính cơ cho phép ta
đánh giá khả năng chòu tải cũng như nắm được khả năng làm việc của động cơ khi dùng để
truyền tải. Đặc tính tốc độ (I) thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc với dòng điện trong
mạch chính của nó. Đặc tính tốc độ cho phép ta đánh giá khả năng chòu tải của động cơ qua
dòng điện của nó.
a. Sơ đồ cơ bản và các đặc tính của nó :
h II.2

Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.

Hình II.1

Sơ đồ nguyên lý của mạch kích từ độc lập.
+
_
U
RKT
CKT
Rpư
M
U
Bộ điều chỉnh
điện áp
CKT
RKT
M
1
Phương trình đặc tính tốc độ :
Trong đó :
n : tốc độ quay của động cơ.
U : điện áp đặt vào động cơ.
R : tổng trở trên phần ứng.
I : dòng điện chạy trong phần ứng.
M : momen của động cơ.
 : từ thông dưới một cực từ chính.

mức) và chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ đònh mức.
U
đm
> U
1
> U
2

n
0
> n
1
> n
2

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

n
n
0RKT
M
K1
K2K3
CKT
+ 0 M
c
M

Theo sơ đồ trên, ta có :
R
ư
< R
1
< R
2
.
n
0
> n
1
> n
2
> n
3
Khi điện trở phụ R càng lớn thì độ cứng của đường đặc tính cơ càng giảm và ngược lại.
Phương pháp này chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản vì chỉ thêm điện trở vào chứ không
giảm nhỏ hơn R

1
> 
2

n
cb
< n
1
< n
2
Khi giảm từ thông, tốc độ tăng lên rất cao và tốc độ này có thể làm hỏng động cơ, nên
thông thường người ta chỉ cho phép n
cb
= 3n
đm
.
4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng.

n n
cb

n
1
TN
Rẽ mạch phần ứng
R
f


1

RKT
M
CKT
+
_
U
Rss Rnt
1
Hình II.6

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp rẽ mạch phần ứng. Phương trình đặc tính cơ của phương pháp này :
M
KeKm
kRntRu
Ke
Udm
kn
2




Với :
Rnt

song).
– Bộ băm đảo dòng.
Hai loại băm này có ưu điểm là cho điện áp ra trên tải lớn hơn điện áp nguồn nhưng nó
không thích hợp với tải có công suất lớn nên ít được sử dụng.
– Bộ băm có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu nối tiếp)
Bộ băm này chỉ cho điện áp ra nhỏ hơn điện áp nguồn nhưng có ưu điểm sử dụng được
cho tải có công suất cao, do đó nó thông dụng hơn.
Trong phạm vi cuốn đồ án này, người thực hiện chỉ đề cập đến bộ băm có van mắc nối
tiếp với tải. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc đóng – ngắt tải với nguồn theo chu kỳ :
trong một chu kỳ T (hình aa), khoảng thời gian t
o
cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng
ra tải, trong khoảng thời gian còn lại (T-t
o
) van hở, làm điện áp trên tải bằng không. Do đó
điện áp trung bình một chiều ra tải là: R
EED
I
d
t


.

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

trong các điều kiện giới hạn giữa hai chế độ này như sau :
a. Theo thời gian van dẫn t
gh
:







 )1(1ln
R
L
T
d
gh
e
E
E
R
L
t Nếu thời gian van dẫn thực tế t
o
< t
gh
, thì dòng điện gián đoạn, ngược lại t

a
b
aD
R
E
I



Nếu dòng thực của tải I
t
< I
gh
, dòng điện là gián đoạn còn I
t
> I
gh
, dòng điện là liên tục.
c. Theo trò số của sức điện động E
d
:

1
1
1
1
1

EED
I
d
t


. Các dạng sóng thể hiện như sau : u
t E

0 t
o
T (T+t
o
) 2T t

i
t


e
a
ba
R
E
R
EE
ti
.
1
11
1
1
1.
)(







Giai đoạn từ t
0
đến T:
.
1
1
2
1

R
E
a
b
R
E
tiI
d






Giá trò cực tiểu dòng điện tải I
min
:
R
E
a
aba
R
E
tiI
d




1

1
11
1
1
T
t
R
E
aTR
babL
R
E
I
d
D




Trò số ûtrung bình dòng điện qua van :
TR
Et
a
bab
TR
L
T

Đồ thò làm việc của chế độ này như hình vẽ sau đây:

u
t

E E
d
E

0 t
o
T t

i
t
i
n I
max

0 t

i
T
t
o





)1(1ln
1
1
b
E
EE
R
L
t
d
d
n

Dòng điện trung bình qua tải :
R
EU
I
dt
t



Quy luật biến thiên dòng điện tải i
t
:

d
t
L
R
d
eb
R
EE
e
R
E
ti
.
1
1
.
2
)1()1()(





Giá trò cực đại dòng tải I
max
:


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

=T –T
1
và tỷ số chu kỳ là D = T
1
/T.
Gía trò trung bình của điện áp tải :
DUUdt
T
U
DT
t


0
1Bằng cách làm biến đổi tỷ số chu kỳ D (trong khi giữ cho tần số không đổi T=const) ta
có thể điều chỉnh được giá trò trung bình của điện áp một chiều đặt trên tải.
 Trường hợp tải là R+L :
2
2
1
c
LiW 

Tải trở kháng tích luỹ một năng lượng điện từ :
Khi dòng i
c
tăng trưởng, D

2

pha quá độ t 0 T t
Hình IIIA

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

Khi Đ đóng ta có phương trình :

0
c
c
Ri
dt
di
L

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



Sau khi tụ C được nạp đầy, ta có thể đưa xung kích vào S1 để nối tải với nguồn và sơ đồ
mạch điện có thể vẽ lại như hình III.12. Lúc này điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trò đã
được nạp và điện áp trên tải là E.
Nếu muốn khoá SCR S1, ta đưa xung kích vào S2. Lúc này tụ điện C sẽ phóng điện qua
S2, L và về lại C và mạch điện có thể vẽ lại như hình III.13. Dòng i
c
xã qua cuộn cảm L tạo
nên sự dao động. Nữa chu kỳ đầu, dòng dao động này chạy qua S2 và nạp ngược lại cho tụ C.
Đến nữa chu kỳ sau, khi tụ đã nạp đầy theo chiều ngược lại như hình III.14, S2 ngắt và dòng
bắt đầu chạy ngược lại qua S1. Khi dòng qua S1 bò triệt tiêu, thì S1 ngắt và dòng tiếp tục chạy
qua diode D2 mắc song song ngược chiều với S1 để duy trì thời gian tắt cho S1 và mạch được
vẽ lại như hình III15. Sau khi S1 và S2 đều ngắt thì dòng dao động sẽ chạy qua diode D1
xuống mass như ở hình III16 và tụ điện bắt đầu nạp ngược lại như giá trò ban đầu, bắt đầu cho
chu kỳ tiếp theo.

một bộ phận làm cho nó tắt. Bộ phận này phải thoả mãn một trong các yêu cầu tắt của SCR.
Như đã khảo sát ở phần trên, bộ băm xung một chiều dùng hai linh kiện SCR, một con chính
để nối tải với nguồn và một con phụ để làm tắt nó. Do vậy, mạch tạo xung kích cho SCR phải
tạo được hai xung kích và các xung kích này đủ lớn để đảm bảo kích mở được SCR. Đồng
thời, thời gian xuất hiện giữa hai xung kích này có thể điều chỉnh được và dạng sóng trên tải
phụ thuộc vào hai xung kích này.
2. Sơ đồ khối :
Bộ phận tạo sóng tam giác nhằm mục đích làm tín hiệu so sánh cho bộ tạo xung vuông có
độ rộng thay đổi được. Từ đây chia ra làm hai đường : một đi qua mạch đảo để đến mạch đơn

Hình III.18

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT. CHƯƠNG IV TRANG : 34

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

u
v
(ngỏ vào chân số 3)
+v



Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26B
Dạng sóng ra ở
OPTO 4N26A
t

t

0

0

+V
+V