nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thuỷ (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT” Thuộc đề tài cấp nhà nước “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (Ứng dụng điện tử công suất lớn) Mã số: KC.06.23.CN Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng Thực hiện chuyên đề: THS. NGUYỄN VĂN THẮNG 6981-2 08/9/2008 Hà nội, tháng 05/2008 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 1 Mục lục I. Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn. 4 1.1.Khái niệm chung: 4 1.2. Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo PTCS 4 II. Phân loại và các đặc trng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS lớn. 5 2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn 5 2.2. Chất bán dẫn 6 2.3. Các phần tử công suất không điều khiển - Diode công suất 7 2.4. Phân tử công suất điều khiển không hoàn toàn - Thyristor, Triac 9 a. Thyristor: 9 b. Triac (Triode altractive curent) 14 2.5. Phần tử công suất điều khiển hoàn toàn 15 a. Transistor công suất, BJT (Bipolar Junction Tranzitor) 15 b. GTO ( Gate Turn- off Thyristor ) 16 c. Transistor trờng, Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect.) (Transistor mos công suất) 18 d. MCT (Mos Controlled Thyristor) 20 2.6. So sánh tơng đối giữa các phần tử bán dẫn công suất 20 III. ứng dụng 21 3.1. Mạch chỉnh lu: 21 3.1.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lu: 21 3.1.2. Các mạch chỉnh lu cơ bản 24 3.2. Các bộ biến đổi xung áp một chiều 42 3.2.1. Bộ biến đổi giảm điện áp (băm xung nối tiếp) 43 3.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (băm xung song song) 43 3.2.3. Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều dòng điện 44 3.2.4.Bộ băm xung đảo chiều điện áp nhng không đảo chiều dòng điện 46 3.2.5. Bộ băm xung đảo chiều cả điện áp và dòng điện 46 3.3. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 48 3.3.1. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều một pha: 48 3.3.2. Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều ba pha 50 3.4. Nghịch lu độc lập 52 3.3.1. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn điện áp cầu một pha tải có tính chất cảm kháng 52 3.3.2. Sơ đồ nghịch lu độc lập nguồn dòng điện cầu một pha tải cảm kháng 54 3.3.3. Nghịch lu dòng ba pha tải cảm dùng Thyristor thờng. 55 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 2 3.3.4. Nghịch lu áp ba pha sử dụng van điều khiển hoàn toàn 57 3.5. Thiết bị biến tần 60 3.5.1. Biến tần gián tiếp 60 3.5.2. Biến tần trực tiếp 61 Tài liệu tham khảo 64 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 3 Lời mở đầu Tàu thuỷ là một trong những phơng tiện vận tải rất quan trọng, đặc biệt là đối với các quốc gia nằm ven biển nh Việt Nam. Khi thực hiện các chức năng chính là vận tải, tàu có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài trên biển, chuyên chở đợc nhiều hàng hoá đến các cảng xa bờ với giá thành rẻ. Ngoài ra, phơng tiện này còn mang lại lợi ích phục vụ rất lớn cho việc thăm dò đại dơng, đánh bắt hải sản xa bờ, và đặc biệt là đảm bảo an ninh quốc phòng đối với vùng biển và hải đảo. Trong giai đoạn hiện nay, theo đờng lối đổi mới, phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nớc nói chung và chủ trơng hiện đại hoá ngành công nghiệp đóng tàu cũng nh nội địa hoá các sản phẩm của ngành tàu thuỷ. Các cán bộ, nhân viên của ngành tàu thuỷ đã không ngừng nâng cao năng lực thiết kế, cải tạo chiều sâu, đổi mới công nghệ đóng mới hàng loạt tầu. Cùng với việc đóng mới là vấn đề về trang bị kỹ thuật tự động hoá, hiện đại các hệ thống trên tàu. Thực tế cho thấy là các sản phẩm, trang thiết bị trên phức tạp trên tàu hầu hết đều phải nhập ngoại từ nớc ngoài với giá thành rất đắt. Trớc những nhu cầu và thách thức đó, vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng kỹ thuật tự động hoá và vi xử lý để dần dần nội địa hoá các sản phẩm trên tàu thuỷ, đặc biệt là trong việc điều khiển và tự động hoá tàu biển phù hợp với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị công suất lớn, động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển, không gian, trọng lợng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển. Việc nghiên cứu cải tiến và ứng dụng các phần tử công suất lớn vào việc điều khiển tối u cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ nhằm giải quyết các yêu cầu đó đồng thời ứng dụng những kỹ thuật hiện đại nhất trên thế giới, đa ngành công nghiệp tàu thuỷ nớc nhà phát triển. Trong giới hạn chuyên đề này chúng tôi chỉ trình bày tổng quan về các phần tử công suất lớn áp dụng trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị có công suất lớn trên tàu thuỷ. Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 4 I. Khái niệm chung và yêu cầu của các phần tử công suất lớn. 1.1.Khái niệm chung: Trớc tiên ta phải làm rõ các phần tử công suất lớn là gì ?. Có thể hiểu 1 cách định tính các phần tử công suất là các linh kiện hay một thiết bị công suất trong một hệ thống điều khiển nh: thiết bị truyền tải, điều khiển hay chuyển đổi năng lợng từ dạng này sang dạng khác. Từ khi các phần tử công suất lớn ra đời cho đến nay đã làm thay đổi hoàn toàn cách nhìn nhận trong việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống và ngày càng đi sâu vào mọi mặt của nền kinh tế công nghiệp và kinh tế dân dụng nó đã góp phần nâng cao năng suất lao động cũng nh hiệu quả kinh tế.Trong các lĩnh vực công nghiệp hay dân dụng đều áp dụng các phần tử công suất nh : Các động cơ trong điều khiển các dây truyền với hàng trăm KW, các thiết bị nâng hạ trong công nghiệp và trong dân dụng, các thiết bị truyền tải điện, hay thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều, xoay chiều với công suất lớn. Đặc biệt nh các thiết bị công suất lớn trên tàu thuỷ nh: Cần cẩu, tời neo, máy lái, thang mạn 1.2. Nhu cầu thực tế đòi hỏi: Sự cần thiết phải phát triển công nghệ chế tạo PTCS. Nh ta đã biết: Việc điều khiển các thiết bị có công suất lớn trong một hệ thống truyền dộng có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong thời đại phát triển công nghiệp, điều khiển và tự động hoá nh hiện nay, các hệ truyền động với các phần tử công suất lớn góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lợng sản phẩm, nâng cao năng suất và mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống. Trong những năm đầu nhãng năm 50 của thế kỷ 20 thì ngành điện tử công công nghiệp ra đời nhng các ứng dụng của chúng bị hạn chế vì thiếu những phần tử công suất lớn có hiệu quả cao, kích thớc nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao, khi đó với các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thuỷ ngân không đáp ứng đợc các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp. Từ những năm 60 của thế kỷ 20 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn nh : Điốt, Tiristo, Tranzito công suất ra đời cũng đã làm thay đổi bộ mặt điều khiển các phần tử công xuất lớn đa nền công nghiệp tiến lên một bớc nữa. Ngày nay với việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật tin học điện tử, nên công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 5 biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc tính năng ngày càng phong phú, độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành sản phẩm. Do vậy đông thời với việc phát triển nền kỹ thuật công nghệ cao, đồng thời sec thúc đẩy và phát triển công nghệ chế tạo các phần tử công suất lớn đáp ứng với nhu cầu và kỹ thuật ngày càng cao trong khoa hoc, công nghiệp và đời sống. II. Phân loại và các đặc trng kỹ thuật của các phần tử ĐTCS lớn. 2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất lớn. Các phần tử bán dẫn công suất đợc sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi nh các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, khi các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhng các van bán dẫn lại đợc điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Nh vậy hiệu suất của các bộ biến đổi phụ thuộc trớc hết vào tổn thất trên các van bán dẫn, trong quá trình làm việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van. Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt đợc những bớc tiến bộ vợt bậc, với việc cho ra đời những phần tử kích thớc này càng nhỏ gọn, khả năng đóng cắt dòng điện và chịu điện áp cao ngày càng lớn với tổn hao công suất giảm đáng kể, ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lợng trong các bộ biến đổi. Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết định cho sự phát triển của Điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại bộ biến đổi với những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng đóng cắt dòng điện, khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan đến quá trình đóng cắt cũng nh vấn đề điều khiển chúng. Trớc hết ta cần thấy rằng các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là: Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 6 * Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tơng đơng rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện tở tơng đơng rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ. * Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử đợc đặt dới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngợc, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn đợc phân loại thành: * Van không điều khiển, nh điốt, * Van có điều khiển, trong đó lại phân ra: - Điều khiển không hoàn toàn, nh tiritsto, triac, - Điều khiển hoàn toàn, nh bipolar tranzito, MOSFET, IGBT, GTO. 2.2. Chất bán dẫn Chất bán dẫn là loại vật liệu có điện trở suất giới hạn trong khoảng điện trở suất của chất cách điện và chất dẫn điện, nó có thể thay đổi theo sự tăng giảm của nhiệt độ. Khi t 0 tăng thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm và ngợc lại. Loại vật liệu bán dẫn đợc sử dụng chủ yếu trong các phần tử bán dẫn công suất là Silic (Si). Nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendelep - Có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi ta kết hợp nguyên tố Si với một nguyên tố thuộc PNC nhóm V nh P mà lớp ngoài có 5 điện tử tự do thì 4 điện tử sẽ tham gia vào 4 liên kết với 4 điện tử tự do của Si và làm xuất hiện 1 điện tử tự do trong cấu trúc mạng tinh thể. Sự xuất hiện của 1 electron tự do này làm tăng tính dẫn điện và điện tử (e) có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (Negative - âm) Còn nếu kết hợp với Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp ngoài thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ hổng này có thể nhận 1 điện tử và tạo nên 1 điện tích dơng và làm tăng tính dẫn điện. Chất đó đợc gọi là bán dẫn loại P (Positive - dơng). - ở chất bán dẫn loại n thì hạt mang điện chủ yếu là điện tử, còn đối với bán dẫn loại P thì lỗ trống lại là hạt mang đợc chủ yếu. Tuỳ theo nồng độ thành phần của các [...]... các phần tử bán dẫn công suất thành các thiết bị lớn mà ngời ta gọi là thiết bị điện tử công suất Tuỳ thuộc vào các phơng pháp kết hợp và tính năng của các phần tử bán dẫn công suất mà ta đợc các thiết bị công suất có chức năng, giới hạn khác nhau nh các bộ: Nghịch lu, Chỉnh lu, Băm xung, Biến tần Sau đây là các bộ bán dẫn công suất lớn điển hình hay đợc ứng dụng trong các hệ truyền động điện 3.1... sự kết hợp các u thế của Mosfet và BJT MCT là phần tử bán dẫn loại mới, đang đợc nghiên cứu Trong tơng lai phần tử này có thể đợc chế tạo để chịu đợc dòng lên tới 3000A, điện áp 3000V và có thể chịu đợc tần số lên tới 100kHz III ứng dụng Mỗi phần tử bán dẫn công suất có tác dụng ứng dụng đợc điện tử công suất nh một khoá đóng cắt đơn lẻ Vì vậy để có thể cho các hệ truyền động thì cần phải kết hợp các. .. về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn + Lớp Catôt (K) là bán dẫn loại n rất mỏng và mật độ điện tử rất cao, do đó nếu dòng điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở lớp điều khiển Lớp Catốt có dòng điện ngợc lớn nhng chỉ chịu đợc điện áp ngợc thấp + Lớp Điều khiển (G) là loại bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do đó hầu hết các điện tử từ lớp catốt có thể tới đợc lớp điều. .. xung điều khiển Thyristor thờng là loại van điện tử công suất bán điều khiển hay đợc ứng dụng trong các sơ đồ chỉnh lu, ở đó việc khoá van đợc thực hiện một cách tự nhiên dới tác dụng của điện áp lới, và bằng việc điều khiển góc mở van ta có thể điều chỉnh đợc điện áp chỉnh lu Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ nghịch lu độc lập hoặc các bộ biến đổi xung áp 1 chiều thì các van bán dẫn luôn bị đặt... tử công suất không có giới hạn về điều kiện làm việc Tuy nhiên thực tế do vật liệu và công nghệ chế tạo mà mỗi loại van khác nhau có các điều kiện làm việc khác nhau Tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà ta sử dụng các loại van phù hợp Từ bảng giới hạn của các van ta thấy Thyristor và GTO là những phần tử làm việc ở dải tần số thấp nhất dới 1kHz, Tuy nhiên chúng đợc chế tạo để làm việc với điện áp và. .. biến trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật Chức năng của nó là biến đổi năng lợng dòng điện xoay chiều thành năng lợng dòng điện một chiều cung cấp cho các loại tải một chiều Sơ đồ cấu trúc của một mạch chỉnh lu nh hình vẽ: 21 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn + Công suất đầu ra chỉnh lu: Pd = Ud Id + Tham số lựa chọn van: Itbv là giá trị thiết bị của dòng điện chạy... dòng base đợc điều khiển bởi một MOSFet Dới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử đợc hình thành, giống nh ở cấu trúc MOSFET Các điện tử di chuyển về phía colector vợt qua lớp tiếp giáp n = p nh ở cấu trúc giữa base và colector ở transistor thờng, tạo nên dòng colector IGBT là phân tử điều khiển bằng điện áp, giống nh MOSFET, nên yêu cầu điện áp có mặt... MOSFET, nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitter để xác định chế độ khoá, mở 19 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn d MCT (Mos Controlled Thyristor) MCT có thể coi nh một Thyristor kết hợp với hai bóng MOSFET Bằng cách này đã đạt đợc khả năng điều khiển nhanh chóng đồng thời với công suất điều khiển nhỏ Tần số làm việc của MCT đạt tới 40kHZ MCT... (bóng thuận), tạo nên hai tiếp giáp p-n Transistor có ba cực: Base (B), Colector (C), Emitter (E) và BJT công suất thờng là loại bóng ngợc Transistor có thể làm việc đợc ở hai chế độ: 15 Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn + Chế độ khuếch đại (chế độ tuyến tính ): Transitor là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng vào là IB và dòng ra là IC ta có : IC= IB ( là hệ số khuếch... thời hai điều kiện: * Điều kiện thứ nhất là: điện áp trên van phải dơng (UAK >0), điều kiện này hoàn toàn nh diode *Điều kiện thứ hai là có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó, điều khiển này ở diode không có Do đó sử dụng điều kiện thứ hai ta có thể khống chế đợc thời điểm mở của Thyristor theo ý muốn Và để thể hiện trong mạch điều này, ngời ta sử dụng khả năng góc điều khiển . SUẤT” Thuộc đề tài cấp nhà nước “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (Ứng dụng điện tử công. HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG. điện tử công suất ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ Tổng quan về các Phơng pháp công nghệ kỹ thuật chế tạo các PTCS Lớn 5 biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những