thiết kế bộ Băm xung áp có đảo chiều đồ án điện tử công suất

full file Psim. ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế mạch băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập. liên hệ 0334848388 CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU CÁC CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 22 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 25 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG 32

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC - - BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế mạch băm xung áp chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động chiều kích từ độc lập Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSV: Lớp: Hà Nội, 11/2021 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với việc phát triển mạnh mẽ ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp điện tử thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều Và đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống hàng ngày phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày nhiều phức tạp cơng nghiệp ngành điện tử công suất phải nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hố - đại hố Nhà nước, nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào sản xuất Do địi hỏi phải có thiết bị phương pháp điều khiển an tồn, xác Đó nhiệm vụ ngành điện tử công suất cần phải giải Để giải vấn đề Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo tài Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa đứng độ ngũ này, mà cần phải tự trang bị cho có trình độ tầm hiểu biết sâu rộng Chính đồ án mơn học điện tử công suất yêu cầu cấp thiết cho sinh viên TĐH Nó kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp sinh viên, điều kiện sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu nghiên cứu kiến thức điện tử công suất Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba ngồi ghế nhà trường kinh nghiệm thực tế cịn chưa có nhiều, cần phải có hướng dẫn giúp đỡ thầy giáo Qua cho em gửi lời cảm ơn tới thầy tận tình dẫn, giúp em hồn thành tốt đồ án mơn học Đồ án hồn thành khơng giúp em có thêm nhiều kiến thức mơn học mà cịn giúp em dược tiép xúc với phương pháp làm việc chủ động hơn,linh hoạt đặc biệt quan trọng phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình thực đồ án thời gian thực bổ ích cho thân em nhiều mặt Hà Nội, tháng 11, năm 2021 Sinh viên thực MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC CƠNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Giới thiệu chung động kích từ độc lập 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.1.1.1 Đặc điểm cấu tạo Giống máy điện quay khác gồm phần đứng im (stato) phần quay (rô to) Về chức máy điện chiều chia thành phần cảm (kích từ) phần ứng (phần biến đổi lượng) Khác với máy điện đồng máy điện chiều phần cảm phần tĩnh cịn phần ứng roto Trên hình 1.2 biểu diễn cấu tạo động điện chiều gồm phận • Stator Stator máy điện chiều phần cảm, nơi tạo từ thơng máy Stato gồm chi tiết sau: Cực từ Cực từ phụ Gơng từ Cơ cấu chổi than • Rotor Rotor máy điện chiều phần ứng Ngày người ta dùng chủ yếu loại rơto hình trống có ghép lại thép điện kỹ thuật Ở máy cơng suất lớn người ta cịn làm rãnh làm mát theo bán kính (các thép ghép lại tệp, tệp cách rãnh làm mát) Lõi sắt phần ứng Cổ góp Thiết bị chổi than Dây quấn phần ứng 1.1.1.2 Nguyên lý làm việc động chiều kích từ độc lập Khi cho điện áp chiều vào, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiếu góp chiều dòng điện nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động E chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, động chiều suất điện động E ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động 1.1.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần bố trí phần tĩnh có cuộn dây kích từ sinh từ thơng Ф, phần ứng phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp chổi than Tác động từ thông Ф dòng điện phần ứng tạo nên momen quay động Khi động quay dẫn phần ứng cắt qua từ thông tạo nên sức điện động Sơ đồ nguyên lý động điện kích từ độc lập trình bày hình 1.1: Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều kích từ độc lập Xây dựng phương trình đặc tính điện chiều kích từ độc lập Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: U u = Eu + ( Ru + R f ) Iu (1.1) Trong đó: + + + + Uư: Điện áp phần ứng (V) Eư: Sức điện động phần ứng (V) Rư: Điện trở mạch phần ứng ( Ω ) Iư: Dòng điện mạch phần ứng (A) Với: Rư = rư + rcf + rb + rct + + + + rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rb: Điện trở tiếp xúc cuộn bù rct: Điện trở tiếp súc chổi điện Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: E= Trong đó: p.N Φ ω = K Φ ω 2π a (1.2) + + + + + p: Số đôi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng Φ : Từ thông kích từ cực từ ω : Tốc độ góc (rad/s) p.N + K = 2π a : Hệ số cấu tạo động Từ (1.1) (1.2) ta có: ω= U u Ru + R f − I u K Φ K Φ (1.3) Biểu thức phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mô men điện từ Mđt động xác định bởi: M dt = K Φ Iu Với Iu = (1.4) M dt K Φ Thay giá trị Iư vào (1.3) ta có: ω= U u Ru + R f − M dt K Φ ( K Φ ) (1.5) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mô men điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là: Mdt = Mcơ = M ω= U u Ru + R f − M K Φ ( K Φ ) (1.6) Đây phương tình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thơng Φ = const, phương trình đặc tính điện (1.3) phương trình đặc tính (1.6) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn hình 1.6 đường thẳng Theo đồ thị trên, Iư = M = ta có: ω= Uu = ω0 K Φ (1.7) ω gọi tốc độ không tải lý tưởng động Còn ω =0 ta có: Iu = U = I nm Ru + R f M = K Φ I nm = M nm (1.8) (1.9) Inm Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mơ men ngắn mạch Ngồi phương trình đặc tính (1.3) (1.6) viết dạng: Trong đó: ω= Uu R − I u = ω o − ∆ ω K Φ K Φ (1.10) ω= Uu R − M = ω o − ∆ ω K Φ ( K Φ ) (1.11) R = Ru + R f ω0 = Uu KΦ ∆ω = R.I u R.M = K Φ ( K Φ ) ∆ ω gọi độ sụt tốc độ ứng với giá trị M Từ phương trình đặc tính ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thơng động Φ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động 1.1.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều Về điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, khơng có khả thay đổi tốc độ cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Từ phương trình tốc độ: ω= Uu R − I u K Φ K Φ (1.12) suy để điều chỉnh có thể: + Điều chỉnh điện áp phần ứng + Điều chỉnh cách thêm điện trở phụ vào mạch + Điều chỉnh từ thông Φ 1Phương pháp thay đổi điện trở phụ • Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp người ta giữ U = , = nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: ∆M ( K Φ )2 β= = ∆ ω Ru + R f (1.13) Ta thấy điện trở lớn nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm Hình 1.2: Đặc tính điều chỉnh động cách thay đổi điện trở phụ Ứng với = ta có độ cứng tự nhiên có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên Đặc điểm phương pháp: + Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn + Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) + Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục 10 Ta xây dựng cấu trúc điều khiển sau: Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển đối xứng Ta xây dựng mạch điều khiển dựa sơ đồ 3.56 “Sơ đồ băm xung chiều đảo chiều, phương pháp điều khiển đối xứng” sách “Hướng dẫn Thiết kế điện tử công suất” tác giả Phạm Quốc Hải Hình 3.3: Sơ đồ băm xung chiều đảo chiều, phương pháp điều khiển đối xứng 30 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 1.2.3 Tính tốn xung tam giác cực tính • Sơ đồ ngun lý R2 Z2 R3 C1 22n Z1 OA2 R1 OA3 V Vrc Hình 3.4: Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính • Đồ thị điện áp Hình 3.5: Đồ thị khâu cưa • Tính tốn thiết kế Chọn tần số điện áp tam giác 4kHz Nguồn E , UOA = 12V, biên độ điện áp Có điện áp đầu OA1 cực đại Um = UOA + UDZ = 12+ 0,7 = 12,7V Trong khoảng thời gian nửa chu kỳ điện áp cưa phải biến thiên giá trị lần biên độ điện áp tam giác Ung Um T U 12,7 −3 = 2U ng → CR1 = m T = 10 = 0,317.10−3 ( s ) CR1 4U ng 4.10 31 0,317.10 −3 C = 22 ( nF ) → R1 = 14,4.10−3 = 14,4 ( k Ω ) −9 22.10 Chọn tụ Vậy chọn R1 = 20k R3 U ng 10 = = = 0,787 → R3 = 0,787 R2 Ta có R2 U m 12,7 Chọn R2 = 10k R3 = 7,87kΩ  ta chọn R3 biến trở 10kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam giác 10V 1.2.4 Khâu so sánh Ở khâu so sánh này, ta so sánh điện áp cưa điện áp điều khiển so sánh OA Hình 3.6: Mạch so sánh 1.2.5 Khâu tạo trễ mở 3.2.1.1 Nguyên lý chung Đặc điểm: - Mạch khơng có khâu xác định chiều dịng quy luật điều khiển chung cho hai chiều dịng điện tải - Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông hai van thẳng hàng chúng chuyển đổi trạng thái Cấu trúc hoạt động mạch này: Hình 3.7: Khâu tạo trễ mở 32 Ở dùng tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở R để đưa tới cổng vào logic L1 loại có ngưỡng (trigơ Schmitt), thời gian trễ gần 0,7RC Khi điện áp vào 0, tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ không đáng kể Thực tế thời gian trễ nằm khoảng (1,310)s tùy loại van lực tần số làm việc mạch 3.2.1.2 Tính tốn Với bóng IGBT chọn toff = (μs) Ta chọn ln Ttre = (μs) Ta có: Ttre = C.R Chọn C = 2.2(nF)  R = 454(Ω) Chọn R13 = 470(Ω) Thời gian trễ thực tạo là: T tre = 470 2.2.10-9 = 1.034 (μs) Vậy đảm bảo lớn thời gian toff C = 2.2(nF )  Tương tự cho mạch tạo trễ lại ta chọn  R14 = 470(Ω ) Nguồn cung cấp cho mạch phải dùng bốn cụm cách ly sơ đồ điều khiển riêng 1.2.6 Khâu khuếch đại xung: Yêu cầu điều khiển cho van IGBT Đây loại van điều khiển điện áp khơng phải dịng BT: Khi dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương cực điều khiển (12V;Cịn khóa điện áp lại âm ( -5 -8)V Như trạng thái ổn định, dù khóa hay dẫn cần điện áp mà khơng địi hỏi có dịng điều khiển, tức công suất điều khiển trạng thái không đáng kể Tuy nhiên để van chuyển đổi trạng thái từ khóa sang dẫn ngược lại từ dẫn sang khóa, buộc phải cấp dịng cho cực điều khiển van Điều hai cực GE tồn điện dung hay tụ điện hai cực dẫn đến: + Khi van trạng thái khóa điện áp điều khiển âm nên tụ điện có giá trị âm.để mở van điện áp điều khiển buộc phải đổi dấu chuyển từ âm sang dương cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính tụ điện + Điều tương tự xảy van chuyển từ dẫn sang khóa + Để hạn chế dịng phóng nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển điện trở hạn chế Ron, Roff 33 + Giá trị điện trở định tốc độ chuyển trạng thái van buộc phải có để đảm bảo an tồn cho van nhà sản xuất thường cho dẫn giá trị điện trở loại chế tạo, nhiên giá trị cụ thể chế độ hoạt động ảnh hưởng Do tính ưu việt IGBT nên ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử cơng suất Cũng hãng chế tạo nhiều mạch điều khiển (Driver) cho van Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối driver Tuy nhiên, thời gian khóa IGBT bị kéo dài tải bị kéo khỏi chế dộ bão hòa, tổn thất phần tử tăng vọt, gây phá hỏng phần tử vậy, driver cho IGBT thường mạch lái(hybrid)- tức driver thường kết hợp mạch bảo vệ tải Đặc biệt, driver cho IGBT công nghiệp mạch ghép phức tạp để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn chế độ làm việc Để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110 Hai nguyên tắc lắp ráp cần đảm bảo là: + Dây nối IGBT phải ngắn với tiết diện dây lớn, thực tế cho thấy điện cảm dây dẫn gây nên tượng đột biến áp khóa van + Dây nối cho IGBT phải nối riêng, dây đất, tức không dùng chung với phần mạch khác để tránh ảnh hưởng lẫn đường đất chung Các mạch Driver đơn giản thường làm nhiệm vụ truyền cách ly khuếch đại công suất xung Tuy nhiên để van hoạt động an toàn trường hợp, kể tượng tải hay ngắn mạch cần phải có thêm khâu bảo vệ cho thân van Để đáp ứng điều công nghiệp chế tạo mạch Driver Quan trọng mạch chống dòng, van trạng thái dẫn mà dòng qua van lớn tính tốn làm transitor khó bão hòa làm điện áp van tăng lên Như vậy, có khâu theo dõi điện áp U CE bóng phát van phải dẫn mà U CE tăng mức ngưỡng qui định tác động để khóa IGBT lại, thơng báo trạng thái 34 Các mạch Driver dùng cách ly quang để địi hỏi phải có hai nguồn cho điều khiển phía ngồi van lực phần tử quang truyền lượng, mạch cồng kềnh hơn, mạch lực có nhiều van phải cách ly số lượng nguồn lớn 3.2.1.3 Mạch cách ly + Biến áp xung: Các mạch phát tính hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn phải cách ly điện Điều thực opto biến áp xung Gồm cuộn dây sơ cấp nhiều cuộn thứ cấp Với nhiều cuộn dây phía thứ cấp, ta kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp song song + Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ đáp ứng nhanh Trong trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hòa ngõ khơng phù hợp u cầu điều khiển + Opto: Gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (IR - LED) mạch thu dùng phototransistor Do thõa mãn yêu cầu cách ly điện, đồng thời đáp ứng opto tốt máy biến áp xung Ta lựa chọn phương án dùng OPTO Yêu cầu đặt opto phải chịu tần số đóng ngắt cao (>5KHz) mà điện áp xung ngõ ko bị méo dạng Trong đó, HCPL-2630 optocouplers hãng fairchild có tần số đóng ngắt lên thỏa mãn yêu cầu 35 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 4.1 Sơ đồ mơ 1.2.7 Sơ đồ mạch lực Hình 4.1: Sơ đồ mạch lực 36 1.2.8 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 4.2: Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển đối xứng 37 4.2 Kết mô 1.2.9 Đồ thị tầng điều khiển Hình 4.3: Điện áp cưa Hình 4.4: Điện áp so sánh 38 Hình 4.5: Tín hiệu điều khiển Van IGBT1 Hình 4.6: Tín hiệu điều khiển Van IGBT2 Hình 4.7: Tín hiệu điều khiển Van IGBT3 Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển Van IGBT4 39 Nhận xét: Dạng tín hiệu điều khiển qua van hoàn toàn giống với lý thuyết trình bày phương pháp điều khiển đối xứng 40 1.2.10 Đồ thị dòng điện, điện áp qua tải Thời gian mơ phỏng: Hình 4.9: Đồ thị điện áp Hình 4.10: Đồ thị dịng điện qua tải Nhận xét: + Đồ thị điện áp, dòng qua tải có dạng đồ thị với lý thuyết trình bày mạch băm xung chiều đảo chiều 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO + [1] Cơ sở truyền động điện, Bùi Quốc Khánh Nguyễn Văn Liễn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật + [2] Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Phạm Quốc Hải, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2009 + [3] Điện tử công suất Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Nhà xuất Giáo dục + 42 ... khiển dựa sơ đồ 3.56 “Sơ đồ băm xung chiều đảo chiều, phương pháp điều khiển đối xứng” sách “Hướng dẫn Thiết kế điện tử công suất? ?? tác giả Phạm Quốc Hải Hình 3.3: Sơ đồ băm xung chiều đảo chiều, phương... thức cho thấy điều chỉnh điện áp tải cách thay đổi tham số γ Việc điều chỉnh điện áp cách ? ?băm? ?? điện áp chiều E thành ? ?xung? ?? điện áp đầu nên thiết bị có tên gọi “ Băm xung chiều - BXMC” Trong đó:... để phù hợp đảo chiều động (một cách chủ động) ta chọn băm xung chiều có đảo chiều (cầu băm xung chiều) , mạch cho phép lượng theo chiều U d, Id đảo chiều cách độc lập sử dụng phương pháp điều khiển