Luận văn tốt nghiệp Đề tài: " Nghiên cứu thiết kế
mạch bảo vệ động cơ dùng bán
dẫn công suất" Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


bảo vệ động cơ khi bị qua tải ngời ta thờng dùng các loại rơle nhiệt, song
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 2
trong nhiều trờng hợp rơle nhiệt không tác động, nhất là khi động cơ bị mất
pha và đảo pha. Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu t mạnh mẽ cho
việc nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu mới của khoa học kỹ thuật trên
cơ sở phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, điện tử công suất vào việc
nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo vệ.
Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nớc
chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất đợc đa vào trong các
mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vợt bậc trong lĩnh vực sản
xuất và trong việc phục vụ đời sống hàng ngày.
Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, điều này kéo theo sự phát
triển và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor các bộ biến đổi ngày càng
hiện đại, gọn nhẹ, độ tác động nhanh, dễ ghép nối với các vi mạch điện tử.
Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi
mới công nghệ để đa tự động hóa vào sản xuất em xin giới thiệu đề tài.
Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất.
ở nớc ta, nhiều năm gần đây một số đơn vị khoa học kỹ thuật đã đầu t
nghiên cứu chế tạo thiết bị bảo vệ chống mất pha và đảo pha đối với động cơ
điện. Cơ sơ của việc nghiên cứu chế tạo dựa trên những t liệu nớc ngoài và
cải tiến một số thiết bị sẵn có cho phù hợp với điều kiện nớc ta.
Hiện nay nền kinh tế phát triển theo xu hớng thị trờng, ngành thiết bị
điện cũng đợc đa dạng hoá. Các thiết bị bảo vệ cũng vì thế mà phong phú,
nhiều chủng loại, chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Bên cạnh những u
việt về tính năng kỹ thuật, phạm vi sử dụng. Các thiết bị này còn bộc lộ nhiều
trở ngại là giá thành cao. Đặc biệt là trong nông nghiệp, đối với các cơ sở kinh
tế nhỏ, xí nghiệp xay sát, chế biến nông sản, các trạm bơm công suất nhỏ thì

4081.
- Tiến hành lắp ráp khảo nghiệm trong thực tế để hiệu chỉnh lại mạch.
Chơng I
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 4
một số linh kiện bán dẫn và các mạch logic
cơ bản
1.1 Điôt
1.1.1 Điôt công suất
+ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Điôt đợc hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo
thành lớp chuyển tiếp P- N.
Điôt bán dẫn có cấu tạo nh hình 1.1
Hình 1.1: Điôt bán dẫn
a- Cấu trúc bên trong của điôt
b- Ký hiệu của điôt
c- Hình dạng bên ngoài của điôt
Đặc tính V- A của điôt biểu diễn quan hệ U= f(I) giữa dòng điện qua
điôt và điện thế đặt vào 2 cực điôt.

Nhánh ngợc ứng với phân áp ngợc (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc
đầu , điện áp ngợc tăng thì dòng điện ngợc (dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng
nhng chậm (đoạn 3). Tới điện áp ngợc
U
> 0,1V thì dòng điện ngợc có trị
số nhỏ vài mA và gần nh giữa nguyên. Sau đó điện áp ngợc đủ lớn
U >
U
ngmax
thì dòng điện ngợc tăng nhanh (đoạn khuỷnh 4) và cuối cùng (đoạn 5)
thì điôt bị đánh thủng. Lúc này, dòng điện ngợc tăng vọt dù có giảm điện áp.
Điện áp lúc này là điện áp chọc thủng. Điôt bị phá hỏng. Để đảm bảo an toàn
cho điôt, ta nên cho điôt làm việc với điện áp ngợc 0,8 U
ngmax
thì dòng điện
rò qua điôt nhỏ không đáng kể và điôt coi nh ở trạng thái khóa.
Vùng khuỷnh là vùng điện trở ngợc của điôt đang từ trị số rất lớn
chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngợc từ trị số rất nhỏ trở thành
trị số rất lớn.
-23
j/
0
K.
+ Các thông số cơ bản của điôt.
- Dòng điện định mức l dòng cực đại cho phép đi qua điôt trong thời
gian điôt mở (I
D
).
-Điện áp ngợc cực đại U
Ngmax
là điện áp ngợc cực đại cho phép đặt
vào điôt trong một thời gian dài khi điôt khoá.
- Điện áp rơi định mức u là điện áp rơi trên điôt khi điôt mở và dòng
qua điôt bằng dòng thuận định mức.
- Thời gian phục hồi tính khoá T
k
là thời gian cần thiết để điôt chuyển
từ trạng thái mở sang trạng thái khoá.
+ Các ứng dụng của điôt
- Chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ
V
1
= V
m
Sint
V
2
= -V
m

Hình 1.5: Chỉnh lu cầu
- Dùng bảo vệ tranzito

Hình 1.6: Mạch bảo vệ tranzito

Bảng 1.1: Điôt công suất
I
tb
U
im
U
Tốc độ quạt Tộc độ nớc
Mã hiệu
A V V m/s l/ph
Liên Xô (cũ)
chế tạo
B- 10
B-20
B-25
B-50
B-200
BK2b-350
B-10
B- 25
B-50 10
20
25


3
6
12 3
6

4
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 8
B-200
B-1000
200
1000
300ữ 1000
1000
0,7

biệt với các loại điôt khác có ứng dụng chỉnh lu, tách sóng
+ Tác dụng ổn áp.
Để thấy rõ tác dụng ổn áp của điôt ta hãy xét phần nghịch của đặc tuyến
V- A của điôt ổn áp. Khi điện áp nghịch đạt đến một giá trị nhất định, thì
dòng điện nghịch tăng lên một cách đột biến, sau đó ứng với phạm vi biến
thiên rất lớn của dòng điện nghịch là phạm vi biến thiên rất nhỏ của điện áp
nghịch. Đó là hiện tợng đánh thủng điện.
Điều kiện để sử dụng đặc tính ổn áp nói trên là trong mạch điện điôt ổn
áp phải có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho sự đánh thủng không dẫn đến
sự đánh thủng nhiệt làm hỏng bóng ổn áp.
+ Mạch điện tơng đơng Hình 1.7: Mạch điện tơng đơng và ký hiệu của điôt ổn áp
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 9
+ Nguyên lý đánh thủng: Hiện tợng đánh thủng xảy ra trong chuyển tiếp P- N
có thể do hai cơ chế sau đây:
- Hiện tợng đánh thủng zener (xuyên hầm): Khi điện trờng nghịch đặt
vào đủ lớn thì các điện tử liên kiết đồng hoá trị có thể đủ năng lợng để tách
khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do, tạo ra cặp điện tử- lỗ trống. Vì lúc này
số hạt dẫn tăng đột biến nên xảy ra hiện tợng đánh thủng.
- Cơ chế đánh thủng thác lũ: Khi điện trờng nghịch đặt vào mạnh, thì
năng lợng của các hạt dẫn tăng lên lớn hơn, có thể xảy ra va chạm làm bứt
các điện tử lớp ngoài của nguyên tử. Phản ứng dây chuyền này xảy ra làm cho

+ Nguyên lý làm việc.
Tơng tự nh các loại điôt bán dẫn khác, chỉ có điều khác biệt là dới
tác dụng của dòng điện thì vật liệu chế tạo điôt quang sẽ phát sáng. Do đặc
điểm này nên vỏ của điôt quang phải trong suốt để có thể nhận biết đợc mầu
sắc của ánh sáng chất phát quang tạo ra khi có dòng điện tác dụng vào.
+ Đặc điểm
- u điểm: hiển thị phù hợp với thị giác, ổn định và tin cậy, tâm hiển thị
khá lớn, tuổi thọ cao.
- Nhợc điểm: cần nguồn công suất phù hợp để có thể phát ra ánh sáng
đủ để có thể nhận biết bằng mắt thờng.
1.2 Tranzito công suất
1.2.1 Cấu tạo
Tranzito là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghép
với nhau nh hình sau. a) b)
Hình 1.8: Tranzito loại PNP
a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu a) b)
Hình 1.9: Tranzito loại NPN
a, sơ đồ cấu trúc b, ký hiệu
Lớp giữa đợc gọi là cực gốc (Bazơ) ký hiệu là B, một lớp bên gọi là
cực phát (Emiter) ký hiệu là E, lớp còn lại là lớp ghóp (Colectơ) ký hiệu là C.
P

N
B

dòng emitơ (I
E
). Chúng tới vùng bazơ tạo thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch
tán sâu vào vùng bazơ hớng tới J
C
. Trên đờng khuếch tán một phần nhỏ bị
tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I
B
). Do cấu tạo
miền bazơ mỏng nên gần nh toàn bộ các hạt khuếch tán tới đợc bờ của J
C
và
bị trờng gia tốc (do J
C
phân cực ngợc) cuốn qua tới đợc miền colectơ tạo
nên dòng điện colectơ (I
C
). Qua việc phân tích trên ta có mối qua hệ về dòng
điện trong tranzito: I
E
= I
B
+ I
C
(1-3)
Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ ngời ta
định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện của tranzito.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


+
(1- 7)
u điểm nổi bật của tranzito là chỉ cần điều khiển dòng I
B
là có thể điều
khiển cho tranzistor đóng ngắt dễ dàng.
1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito
Gọi I
C
là dòng colectơ chịu đợc điện áp bão hoà V
CEsat
khi tranzito dẫn
dòng bão hoà I
B
= I
Bbh
và khi khoá I
B
= 0; V
CEsat
=V
CE
.
+ Mạch trợ giúp tranzito mở
Khi tranzito chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở. Mạch trợ
giúp bao gồm các phần tử tụ điện (C), điện trở (R
2
), điôt(D

Dòng điện tải I là thời gian chuyển mạch của tranzito rất ngắn vậy cho
nên dòng tải = const.
Sơ kiện: V
CE
= 0
I
C
= I I
D
= 0 (1- 8)
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc bazơ của tranzito dòng I
C

giảm xuống không trong khoảng thời gian t
f
. Nếu không có mạch trợ giúp ta
có: I = I
C
+ I
D
= const (1-9)
Khi giảm I
C
thì I
D
Tăng lên ngang D
1
sẽ làm ngắn mạch tải năng lợng
tiêu tán bên trong tranzito sẽ là:


(1-11)
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 14
Khi t = t
f
; I
c
= 0 V
c
(t
f
)= V
0
= V
CE
<< V
CCVc
t
dI
dC
=
(1-12)
Sau thời gian t
f
tụ C đợc nạp bằng dòng I, cho đến khi V

(1- 13)
Trong thực tế ngời ta chọn C trong khoảng. 2t
f
t
F
5t
f

+ Mạch trợ giúp đóng tranzito

Hình 1.12: Mạch trợ giúp đóng tranzito
Khi tranzito từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng
của tranzito gồm các phần tử cuộn cảm (L), điôt(D
3
), điện trở (R
3
) có chức
L
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 15
năng hạn chế sự tăng vọt của dòng I
C
trong khoảng thời gian đóng T
on
của
tranzito.
T
on

cuộn cảm (L) tạo ra trong mạch L; D
5
; R
4
trong khoảng thời gian t
c
chuyển
sang trạng thái mở của tranzito.
Nh vậy t
c
phải thoả mãn điều kiện. 4
c
i
t
R
>
(1-15)
Điện trở R
5
có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong
mạch với khoảng thời gian đóng t
f
.
Ta có D
6
: Tạo mạch đối với xung áp dơng đặt vào cực gốc bazơ
D

nhỏ thì thấp, dòng I
C

tăng thì
tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng I
C
đến mức bão hoà thì
giảm.

=
C
B
I
I
(1-16)
- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua tranzito phải đợc giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị
số thì tranzito sẽ bị h.
I
Cmax
: là dòng điện tối đa ở cực colectơ
I
Bmax
: là dòng điện tối đa ở cực bazơ
- Điện thế giới hạn
Điện thế đánh thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngợc tối đa
đặt vào giữa các cặp cực.
- Tần số cắt
Tần số thiết đoạn (f cut- off) là tần số mà tranzito hết khả năng khuếch
đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng điện thế ngõ vào.

BUV, (BUX)20

21
22
23
24

BUT 90
91

BUX 47
47A
48
48A
98
98C

ESM 3000
3001
3002
3004
3005
3006
3007
160

250
300
400
450

400
400
400
700

100
150
200
400
500
600
700
1,2

1,5
1,5
1
1

1,2
1,2

1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5

1,5

5

3
2,5
3,2
2,4

7
4

1,2
1
2
2
4
3

15
15
28
13
10
7
6
0,3

0,12
0,5
1,2
1,4

1
1
1
1

1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,2

1,2
2
2,5
3

1,5
1,5

3
3
3
3
3
3

1,8


1.3 Thyristor
1.3.1 CÊu t¹o
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 18
Thyristor còn đợc gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện
đợc điều khiển bằng chất silicum.
Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm bán dẫn gồm 4 lớp P- N- P- N ghép
nối tiếp tạo nên 3 cực Anode ký hiệu là A dơng cực, Catode ký hiệu là K âm
cực và cực Gate ký hiệu là G là cực điều khiển hay cực cửa.
J
1
, J
2
, J
3
là các mặt ghép.
tăng lên rất nhanh và mạnh.
Khi phân áp thuận (anôt nối với cực dơng nguồn, catôt nối với cực âm
nguồn) nh hình 1.15 thì các lớp J
1
và J
3
đợc phân cực thuận, điện trở rất
nhỏ, nhng lớp J
2
lại bị phân cực ngợc, có điện trỏ rất lớn. Do vậy, trờng
hợp này cũng chỉ có một dòng điện rò rất nhỏ chảy qua lớp J
2
(thuộc góc phần
t thứ I).

Hình 1.15: Sơ đồ phân áp ngợc và thuận của một thyristor
Thyristor khác với điôt ở chỗ: điôt dẫn điện ngay sau khi phân áp thuận,
còn thyristor có phân áp thuận cũng cha dẫn điện. Muốn cho thyristor thông
khi có phân áp thuận cần phải có điều kiện. Điều kiện gì? Đó là phải cấp một
xung áp dơng vào cực điều khiển G khi thyristor đợc phân áp thuận. Xung
dơng điều khiển có thể đợc tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở
Hình 1.16
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 20

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý điều khiển thyristor
Khi đó, lớp tiếp xúc J
3

1
sang T
2
rồi T hình 1.17. Thyristor ở trạng thái thông.
Trị số dòng điện I
a
phụ thuộc vào điện trở trong mạch phụ tải (ở hình:
1.16 dòng I
a
phụ thuộc vào điện trở của bóng đèn).
Khi thyristor thông điện trở trong R
13
của nó rất nhỏ (cỡ vài phần trục
hoặc phần trăm của một ôm) nên sụt áp
U
13
không đáng kể (không quá 1V).
Khi thyristor đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt
dòng điều khiển thì thyristor vẫn thông. Nguyên do vì dòng I
a
qua lớp J
2
sẽ
tiếp tục làm điện trở lớp J
2
giảm thấp và duy trì sự dẫn điện. Qua lớp này từ N
1

sang P
2

2
nghĩa là đặc tính V- A
của thyristor sẽ nh đặc tính V- A của điôt.

Hình 1.17: Đặc tính V- A của thyristor
1.3.3 ứng dụng của thyristor
+ ứng dụng của thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
Sơ đồ

Hình 1.18: ứng dụng của thyristor trong điều khiển động cơ
DC: là động cơ điện một chiều
Dòng điện qua động cơ chỉ là dòng điện ở nửa chu kỳ dơng và đợc thay đổi
trị số bằng cách thay đổi mở kích của dòng điện I
G
khi thyistor cha dẫn thì
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 22
không có dòng điện qua động cơ. Điôt dẫn điện nạp vào tụ qua điện trở R
1
và
biến trở V
R
. Điện thế cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R
2
, R
3
.
Tụ nạp điện qua R

thể tính theo công thức:

0, 7
cc
a
L
VV
I
R

=
(1-17)
R
L
: tải thuần trở
V
CC
: điện áp qua thyristor
+ Dòng điện điều khiển kích mở I
GT
là dòng điện điều khiển I
G
gây mở
thyristor
+ Điện áp ngợc cực đại U
ngmax
là điện áp giữa hai cực A và K cho phép đặt
thyristor .
+ Điện áp rơi định mức


SF300
SF1000
SF1500

SH2
SH16
SH80
SH150
SH400
0,1
0,3
1
2
2,5
3
5
10
16
100
300
1000
1500

2
16
80
150
400
0,1
ữ 0,4

15
10
15
ữ 30
15 ữ 30
15 ữ 80 1.4 triac
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46 24
1.4.1 Cấu tạo
Triac là linh kiện bán dẫn tơng tự nh hai thyristor nối song song
ngợc gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển.
c
b)

Trích đoạn Mạch điện cổng NAND (Mạch và đảo) Đại c−ơng Bộ ghép quang với phototriac Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất

---