Bài giảng Truyền động điện - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

 
2 2 1550 . . 162.22 /
60 60
dmn rad sπ πω = = = 
 Momen quán tính của hệ thống quy về trục động cơ tính như sau : 
 Gọi rJ là momen quán tính của các phần chuyển động quay 
 quy đổi về trục động cơ : 
22
28
1 2 3 4 5 62 2
2 2
2
2 2
( )
2.5 7.515 8 2 (0.5 200) 8 25.062
162.22 162.22
dr
r
r
J J J J J J J
J kgm
ωω
ω ω= + + + + +
= + + + + + =
8/24/2014
15
Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về 
trục động cơ (Bài tập 1.7)
Gọi cJ là momen quán tính của cabin và đối trọng 
quy đổi về trục động cơ : 
2 2
2
2 2
1( ) (1200 800) 0.0724
166.22l c dt
vJ m m kgmω= + = + = 
Momen quán tính toàn bộ hệ thống truyền động cơ khí 
quy đổi về trục động cơ : 
225.062 0.0724 25.135r lJ J J kgm= + = + = 
29
Ví dụ: Quy đổi hệ thống truyền động thang máy về 
trục động cơ (Bài tập 1.7)
2. Momen tải quy đổi về trục động cơ 
Khi không có đối trọng : 
. . . .c cM m g vωη =
. . 1200 9.81 1 90.71
. 162.22 0.8
c
c
m g vM Nmωη
⋅ ⋅= = =⋅
Công suất cần thiết của động cơ : 
90.71 162.22 14715 14.715c cP M W kWω= = ⋅ = = 
Khi có đối trọng : 
. . ( ). .c c dtM m m g vωη = −
30
. . (1200 800) 9.81 1 30.71
. 162.22 0.8
c
c
m g vM Nmωη
− ⋅ ⋅= = =⋅
Công suất cần thiết của động cơ : 
30.71 162.22 4905 4.905c cP M W kWω= = ⋅ = = 
8/24/2014
16
Sự ổn định của điểm làm việc xác lập
• Hệ thống động cơ – tải đạt trạng thái xác lập khi: M = Mc
• Điều kiện để điểm làm việc xác lập là ổn định:
⎛ ⎞ 0cdM dM
d dω ω− >⎜ ⎟⎝ ⎠
Ví dụ: Xét các điểm làm việc ở 
hình bên.
Điểm làm việc:
31
• A, C: ổn định,
• B: không ổn định
Chế độ làm việc của động cơ
III Chế độ động cơChế độ hãm
M
Động 
cơ
Tải
M
P = M
Động 
cơ
Tải
M
P = M
Động 
cơ
Tải
M
Động 
cơ
Tải
M
32
P = M P = M
III IVChế độ động cơ Chế độ hãm
Các phần tư làm việc của hệ thống truyền động điện
8/24/2014
17
Chế độ làm việc của động cơ
Công suất điện cung cấp cho động cơ dP 
Công suất động cơ sinh ra: cP Mω= 
Động cơ có thể làm việc ở : 
ƒ Chế độ động cơ : 0 à 0d cP v P> > 
ƒ Chế độ hãm : 
 - Hãm tái sinh : 0 à 0d cP v P< < 
33
 - Hãm ngược : 0 à 0d cP v P> < 
 - Hãm động năng : 0 à 0d cP v P= < 
TÓM TẮT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐTCS 
THÔNG DỤNG
34
8/24/2014
18
Giới thiệu về bán dẫn công suất
Linh kiện bán dẫn điện tử công suất chỉ hoạt động ở hai chế độ: dẫn (ON) và tắt 
(OFF). Do đó, chúng còn được gọi là khoá bán dẫn (power switch). 
Những yêu cầu của một linh kiện bán dẫn điện tử công suất: 
• Không có tổn hao khi dẫn 
• Không có tổn hao khi tắt 
• Không có tổn hao khi chuyển mạch (tắt Æ dẫn hoặc dẫn Æ tắt) 
• Công suất điều khiển nhỏ 
• Thời gian chuyển mạch (turn-on time, turn-off time) thấp 
• Điện áp, dòng điện định mức phù hợp với ứng dụng 
• Có thể dẫn dòng một chiều / hai chiều 
35
Giới thiệu về bán dẫn công suất
Phân loại linh kiện bán dẫn theo khả năng điều khiển: 
• Linh kiện không điều khiển: quá trình chỉ chuyển mạch phụ thuộc nguồn cung 
cấp, ví dụ: diode, diac 
• Linh kiện chỉ kích dẫn được, không có khả năng kích tắt, ví dụ: thyristor 
(SCR), triac. 
• Linh kiện có khả năng kích dẫn và kích tắt (Self-commutated device), ví dụ: 
transistor, GTO (Gate Turn-off Thyristor), IGCT 
Những thông số quan trọng của linh kiện bán dẫn ĐTCS: 
• Điện áp đánh thủng (breakdown voltage) cao 
• Điện trở dẫn (ON resistance) thấp 
Thời i h ể h thấ
36
• g an c uy n mạc p
Tuy nhiên, các thông số trên có ảnh hưởng đến nhau khi chế tạo linh kiện, không thể 
cải tiến thông số này mà không gây ảnh hưởng lên thông số khác. 
8/24/2014
19
Diode
Diode công suất: 
• Loại lưỡng cực (mối nối p-n): dùng cho bộ biến đổi công suất cao, có thể chế 
tạo với điện áp và dòng làm việc lớn. Hiện có thể được chế tạo lên tới vài kA 
và vài kV. 
ầ ố ấ• Loại Schottky diode: t n s hoạt động cao, điện áp bão hoà th p (0.3V Æ 
0.5V), tuy nhiên chỉ có thể chế tạo với điện áp làm việc thấp. 
37
Diode
38
Diode luỡng cực
8/24/2014
20
Diode
39
Diode Schottky
Diode
40
8/24/2014
21
Diode
41
Thyristor (SCR)
Ứng dụng: 
• Điều khiển pha (ACÆDC, AC Æ AC) 
• Nghịch lưu (DC Æ AC) 
• Contact bán dẫn (Static switch) 
Đặc tính: 
• Điện áp bão hoà (Vsat) khoảng 1-2 Volts 
• Kích dẫn bằng xung dòng vào cực Gate (cỡ vài mA đến vài trăm mA) 
• Thời gian tắt tq lớn hơn nhiều so với trr, tq ≈2μ s - 150μ s. 
• Điện áp đánh thủng VBD có thể chế tạo lên tới 4-5kA, dòng cỡ vài kA. 
42
8/24/2014
22
Thyristor (SCR)
43
Thyristor (SCR)
uAK
44
Lưu ý: áp ngược cần duy trì trong khoảng thời gian > tq để đảm bảo SCR hồi 
phục tính chất khoá
Đặc tính của SCR khi tắt
8/24/2014
23
Thyristor (SCR)
Các dạng thyristor thực tế
45
Thyristor (SCR)
46
8/24/2014
24
Triac
a. Ký hiệu
b Cấu trúc
47
. 
Triac là linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, thường dùng trong các bộ biến đổi điện 
áp xoay chiều. 
Triac có thể được kích dẫn theo cả 2 chiều với cách điều khiển tương tự như kích dẫn 
SCR. Xung kích có thể âm hoặc dương. 
Triac
VBD
VBD
48
Đặc tính Volt-Ampere của Triac
8/24/2014
25
BJT (Bipolar Junction Transistor)
• hfe < 10 với BJT công suất lớn 
• Điện áp bão hoà (VCEsat ) cỡ 0.5-2.5 Volts. Transistor Darlington có VCesat lớn 
hơn transistor đơn có cùng công suất Æ tổn hao nhiều hơn. 
• Thời gian tắt (t ) từ vài trăm ns đến 60μs off .
• Điện áp đánh thủng (VBD) có thể lên tới 1400V. Lưu ý: transisto thường không 
thể chịu đựng điện áp ngược lớn hơn khoảng 20V, nên không được phân cực 
ngược transistor. 
• Điều khiển bằng dòng vào cực B (IB) Æ cần công suất điều khiển lớn. 
49
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Dẫn
Tắt
a. Ký hiệu
ế Đặ t ế lý t ở
Tắt
50
BJT loại NPN
b. Đặc tuy n c. c uy n ư ng
8/24/2014
26
BJT (Bipolar Junction Transistor)
51
Transistor ghép Darlington
MOSFET
• Sử dụng trong những ứng dụng hoạt động với điện áp thấp (vài chục Æ vài 
trăm Volts), tần số cao. 
• Có thể đóng cắt rất nhanh do thời gian chuyển mạch thấp: toff ≈50ns – 500ns. 
• Điện trở dẫn Rds(on) tăng tỉ lệ với 2.6BDV . Thông thường, Rds(on) cỡ 40mΩ với 
transistor có VBD khoảng 100V, ID khoảng 100A. Điện trở Rds cũng tăng theo 
nhiệt độ. 
• Điều khiển bằng điện áp VGS, dòng vào rất bé Æ Công suất điều khiển thấp. 
Thông thường, VGS(ON) cỡ 5Æ20V. 
• Có thể nối song song các MOSFET dễ dàng. 
• Hiện có thể chế tạo với điện áp lên đến 800V (CoolMOS của Infineon 
Technology). 
52
8/24/2014
27
MOSFET
53
Các dạng MOSFET công suất
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 
• Có thể xem là sự kết hợp giữa MOSFET và BJT, điều khiển ON/OFF bằng 
cách đưa điện áp vào cực G và E (VGE) .
• Vsat ≈2-3V 
• tq = 1μs 
• Hiện được chế tạo với công suất lên đến 6.5kV, 700A. IGBT với điện áp lên 
đến 10kV có thể ra mắt trong tương lai gần (đang thử nghiệm). 
54
8/24/2014
28
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
55
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
56
Các dạng IGBT công suất
8/24/2014
29
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
57
Các dạng IGBT công suất
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
• Dùng trong những ứng dụng với dòng và áp cao. Tần số đóng cắt có thể từ vài 
trăm Hz đến 10kHz. 
• Điều khiển ON hoặc OFF bằng cách đưa xung dòng vào cực G, 
• Giống như thyristor, GTO được kích dẫn bằng cách đưa một xung dòng dương 
vào cực G, và sau khi ở trạng thái dẫn, GTO có thể duy trì trạng thái này mà 
không cần dòng kích vào cực G nữa. 
• Khác với thyristor, GTO có thể kích tắt bằng cách đưa xung dòng âm đủ lớn 
vào cực G (bằng cách đặt VGK < 0). Xung dòng này chỉ cần duy trì trong 
khoảng thời gian cần thiết để tắt GTO (tq), tuy nhiên, dòng này cần có giá trị 
cỡ 1/3 dòng IA qua GTO trước khi tắt. 
• Trong các ứng dụng của GTO, tải thường mang tính cảm kháng Æ điện áp đặt 
lên GTO khá lớn do /dv dt trên cảm kháng tải gây raÆ cần có mạch snubber
58
cho GTO. 
• Vsat ≈ 2-3V, 
• tq ≈ vài μs đến 25μs 
• Hiện chế tạo với công suất lớn nhất khoảng 6kV, 6kA. 
8/24/2014
30
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
59
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
60
8/24/2014
31
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
GTO thực tế với dây dẫn để 
đưa xung kích vào cực G K
+
-
61
 -
GTO với mạch kích tắt điển hình
MCT (MOS-Controlled Thyristor)
Kích dẫn MCT kênh p: đưa xung âm vào cực G-A 
Kích dẫn MCT kênh n: đưa xung dương vào cực G-K 
62
Kích tắt MCT kênh p: đưa xung dương vào cực G-A 
Kích tắt MCT kênh n: đưa xung âm vào cực G-K 
8/24/2014
32
MCT (MOS-Controlled Thyristor)
63
MCT (MOS-Controlled Thyristor)
MCT có ưu điểm so với GTO: 
• Đóng ngắt đơn giản hơn và với công suất thấp hơn, 
• Tốc độ đóng cắt nhanh hơn (thời gian ton và toff chỉ cỡ vài μs) 
MCT có điện áp VAK(on) nhỏ hơn điện áp VCE(sat) của IGBT 
Hiện có thể chế tạo với điện áp cỡ 1500V, dòng điện từ 50A đến vài trăm A. Trong 
tương lai gần, linh kiện với điện áp lên đến 3000V đang được chế tạo. Tuy nhiên, 
MCT khó có thể chế tạo với dòng lớn như GTO vì do cấu trúc khá phức tạp, nên 
không thể chế tạo với tiết diện bán dẫn lớn như GTO. 
64
8/24/2014
33
Khả năng tải & đóng cắt của các khóa bán 
dẫn thông dụng
Loại linh kiện Công suất đóng ngắt Tần số đóng ngắt 
BJT Trung bình Trung bình 
MOSFET Thấp Cao 
GTO Cao Thấp 
IGBT Trung bình Trung bình 
MCT Trung bình Trung bình 
65
Sự phát triển của các chất bán dẫn mới
Hiện nay, Silicon là chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo linh kiện điện tử công suất. Tuy nhiên, 
các loại chất bán dẫn mới như SiC hoặc kim cương (tổng hợp dưới dạng màng mỏng) đang 
được nghiên cứu ứng dụng. 
Linh kiện với bán dẫn Silicon có thể chịu nhiệt tối đa lên tới 175oC (nhiệt độ mối nối bán 
dẫn – junction temperature), trong khi với SiC và kim cương, nhiệt độ này lần lượt là 350oC 
và 600oC. Điều này giúp làm giảm đáng kể kích thước linh kiện và yêu cầu tản nhiệt. 
Hiên nay, một số linh kiện sử dụng bán dẫn SiC đã (hoặc sẽ) có mặt trên thị trường: 
1. Schottky diode: 300-700V, 2-10A 
2. Hybrid JFET (1.5kV, 12A) 
3. BJT (1-10kV) 
4 GTO (8 40kV)
66
. - 
5. MOSFET (0.2 – 6kV)