Đồ án môn học điện tử công suất thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Thiết kế băm xung áp chiều có đảo chiều Giảng viên hướng dẫn : PHẠM THỊ THÙY LINH Sinh viên thực hiện: LƯU VĂN DƯƠNG Ngành : Lớp : CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG D9CNTD1 Khố : 2014- 2019 Hà Nội, tháng năm 2017 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, điện tử công suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hố cho q trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung môn học Điện tử công suất chúng em giao thực đề tài:Thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điều chỉnh động một chiều kích từ độc lâp Với hướng dẫn tận tình giáo: Phạm Thị Thùy Linh chúng em tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài hoàn thành thời hạn giao Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cơ, bạn đóng góp ý kiến để đề tài chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC Chương 1: Kiến thức tổng quát 1.1 Giới thiệu chung động kích từ độc lập 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.1.2Phương trình đặc tính 1.1.3Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 1.2 Giới thiệu chung băm xung áp chiều 1.2.1 Khái niệm, phân loại băm xung áp chiều 1.2.2 Van IGBT 1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung chiều có đảo chiều Chương 2: Nghiên cứu thiết kế tính tốn mạch lực 2.1 Thiết kế mạch lực 2.2 Tính tốn, lựa chọn phần tử mạch lực Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển 3.2 Chức khâu 3.3 Tính tốn mạch điều khiển Chương 4: Mơ mạch lực mạch điều khiển 4.1 Giới thiệu phần mềm mô PSIM 4.2 Mô mạch lực mạch điều khiển CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUÁT 1.1 Giới thiệu chung về động kích từ độc lập 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động Động điện chiều gồm có phần : Phần tĩnh (stator) phần động (rôtor) A,Phần tĩnh (stator) Gồm phần sau: a Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện Cực từ gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện b Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều c Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy d Các phận khác - Nắp máy - Cơ cấu chổi than B, Phần quay (rotor) Gồm phận sau: a Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện hai đầu ép chặt lại Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào b Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần sinh s.đ.đ có dịng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cách điện với rãnh lõi thép c Cổ góp: Cổ góp hay cịn gọi vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình nhạn cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ trịn Đi vành góp có cao lên để để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp dễ dàng d Các phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy: Trên đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục máy thường làm thép Cacbon tốt C, Nguyên lý làm việc động điện một chiều: b F ®t n I + a A I c F ®t d B - Hình 1:Sơ đồ ngun lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều U đặt vào chổi than A B dây quấn phần ứng có dịng điện Iư dẫn ab, cd có dịng điện nằm từ trường chịu lực điện từ F đt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Khi động quay dẫn cắt từ trường cảm ứng sức điện động E chiều s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động điện chiều sức điện động E ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Phương trình cân điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứng Iư: dòng điện phần ứng ; Eư: sức điện động Theo yêu cầu đề ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động điên chiều kích rừ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ khơng phụ thuộc vào dịng điện phần ứng nghĩa từ thơng động không phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp điện trở mạch kích từ + - U­ I E KT IKT Hình2 : Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập + UKT - 1.1.2 Phương trình đặc tính Đặc tính quan hệ tốc độ quay mômen (M) động Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động vận hành chế độ định mức với đặc tính tự nhiên (Mđm , wđm) Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động Để đánh giá, so sánh đặc tính người ta đưa khái niệm độ cứng đặc tính β ΔM Δβ= Δω tính sau β lớn (đặc tính cứng) tốc độ thay đổi M thay đổi β nhỏ (đặc tính mềm) tốc độ giảm nhiều M tăng β → ∞ đặc tính tuyệt đối cứng + - U­ E­ Rf IKT CKT RKT Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều Khi nguồn điện chiều có cơng suất lớn điện áp khơng đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào nguồn chiều độc lập Trường hợp Rf= 0: U= E + Iư.Rư (1) Trong đó; E= Ke Φ n p n Ke = 60 a (2) : hệ số sức điện động động a: số mạch nhánh song song cuộn dây p n K= 2aπ : hệ số cấu tạo động ω : tốc độ góc tính rad/s p: số đơi cực N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng Uu Thế (2) vào (1) ta có: Uu Hoặc: Ru K e φ Ke φ n= Ru = K φ K φ ω − − Iu Iu (3) (4) Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi phương trình đặc tính điện Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): mômen điện từ động Uu Ru − Suy ra: n= K e φ K e φ K Φ chiều kích từ độc lập Uu Hoặc: Trong đó: ω ω − M Ru = K φ ( K φ) phương trình đặc tính động điện M = ω 0− Δω : tốc độ không tải lý tưởng Δω : độ sụt tốc độ Uu Từ phương trình đặc tính cơ: tốc độ ω ω = − Ru +R f K φ ( K φ)2 M ta nhận thấy muốn thay đổi ta thay đổi φ , Rf , U Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):Độ cứng đặc tính cơ: ( Kφdm ) ΔM − β= R u + R f giảm Nếu R lớn tốc độ động giảm đồng thời Δω = f dòng ngắn mạch mômen ngắn mạch giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp để hạn chế dòng điều chỉnh tốc độ động phía tốc độ Trường hợp thay đổi U< Uđm (Kφ) U ΔM − = ω 0= β= Ru Kφ giảm độ cứng đặc tính Δω = Tốc độ không tải const Khi thay đổi điện áp ta thu họ đường đặc tính song song Phương pháp sử dụng để điều chỉnh tốc độ động hạn chế dịng khởi động Ảnh hưởng từ thơng: Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dịng kích từ Ikt tốc độ khơng tải ( Kφ)2 ΔM − β= Ru Δω = tăng Độ cứng đặc tính cơ: 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ giảm ω= U dm Kφ Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: n= U −Rư I K E ∅ kt (1.2) Từ phương trình ta thấy n ( tốc độ động cơ) phụ thuộc vào từ thông θ , điện trở phần ứng R, điện áp phần ứng U Vì để điều chỉnh tốc độ động điện chiều có phương án a Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng ∅ Đồ thị đặc tính động điện chiều Hình 4: Đồ thị đặc tính động điện chiều Đồ thị cho thấy đường đặc tính động điện chiều ứng với giá trị khác từ thơng Khi từ thơng giảm n tăng ∆ n cịn tang nhanh ta thấy độ dốc đường đặc tính khác Chúng hội tụ điểm trục hồnh ứng với dịng điện lớn: I ư=U/Rư Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn tốc độ định mức Giới hạn việc điều chỉnh tốc độ quay phương pháp 1:2; 1:5; 1:8 Tuy nhiên có nhược điểm sử dụng phương pháp phải thực biện pháp khống chế đặc biệt cấu tạo cơng nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng b Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng Ta có: n= U −Rư I K E ∅ kt Từ thông không đổi nên n0 khơng đổi, có ∆ n thay đổi Một điều dễ thấy ta đưa thêm R f, khơng thể giảm Rư nên chie điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức Do Rf lớn đặc tính mềm nên tốc độ thay đổi nhiều tải thay đổi (từ đồ thị cho thấy, I biến thiên ứng với dải biến thiên I đường đặc tính mềm tốc đọ thay đổi nhiều hơn) Tuy nhiên phương pháp làm tang công suất giảm hiệu suất Hình 5: Đồ thị đặc tính tải thay đổi c Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp Hình 6: Đồ thị đặc tính điện áp thay đổi Phương pháp cho phép điêu chỉnh tốc độ tên định mức Tuy nhiên cách điện thiết bị thường tính tốn cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp U Khi U giảm n0 giảm ∆ n số nên tốc độ n giảm Vì thường điều chỉnh tốc độ nhỏ tốc độ định mức Cịn lớn điều chỉnh phạm vi nhỏ Đặc điểm quan trọng phương pháp điều chỉnh tốc độ moomen khơng đổi từ thơng dịng điện phần ứng khơng thay đổi (M= CM.θ Iư) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ giới hạn 1:10, chí cao đến 1:25 Phương pháp dùng cho động điện chiều kích thích độc lập song song làm việc chế độ kích từ độc lập Diot công suất lựa chọn dựa vào yếu tố bản: dòng tải, sơ đồ chọn, điều kiên tản nhiệt, điện áp làm việc Các thơng số van Diot tính toán sau: bỏ qua sụt áp van +Dịng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- γ )It Với giá trị dòng điện định mức động Itđm =18(A) Chọn chế độ làm mát van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt có quạt thơng gió, dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm Lúc dịng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A) Qua biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode (bỏ qua sụt áp van ) là: Ungmax=E=200(V) Chọn hệ số điện áp ku = nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V) c) Lựa chọn van IGBT Xuất phát từ yêu cầu công nghệ ta phải chọn van bán dẫn loại van điều khiển hồn tồn IGBT +Tính dịng trung bình chạy qua van: Qua phân tích mạch lực ta thấy: Dịng điện trung bình chạy qua van lµ : IS = γ It Với giá trị dòng điện định mức động Itđm =18(A) + Chọn chế độ làm mát van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt có quạt thơng gió, dịng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm Lúc dịng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A) Qua biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode (bỏ qua sụt áp van ) Ungmax=E=400(V) Chọn hệ số điện áp ku = nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V) Loại BSM50GB60DL C NSX eupec Gmb H Điện­áp Vcemax (V) Dòng điện ICmax­(A)­ở 25oC Điện­áp Vgeth (V) Công­suất Ptotmax (W) R (K/R) 600 75 5,5 250 0.5