Thiết Kế Chế Tạo Bộ Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho Sth thay đổi tỷ lệcòn Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ.. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đ

B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THU T HƯNG YÊN ẬT HƯNG YÊN

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II

Tên đề tài: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

HƯNG YÊN - 2015

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường côngnghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiếnvượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nền kinh tế của đất nướcngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đápứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thìphải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học cónhư vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội.Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đến việchiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúpsinh viên có khả năng thực tế cao

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo Chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Thiết kế - Chế tạo bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha” nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá

trình thực tế

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thành Long cùng với

sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu Đến nay đồ án củachúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắngnhưng do trình độ còn hạn chế, kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót.Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo trong khoa để đề tài của chúng em ngày càn hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Long cùng các thầy cô giáotrong khoa đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ 3 pha 4

1.1.1 Cấu tạo và đặc điểm 4

1.1.2 Nguyên lý làm việc và các đại lượng đặc trưng: 5

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 7

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ 7

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp Stato 8

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực 10

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số 10

1.3 Tổng quan về hệ thống biến tần 13

1.3.1 Khái niệm, phân loại biến tần 13

1.3.2 Biến tần gián tiếp: 15

1.3.3 Cấu trúc biến tần gián tiếp nguồn áp 16

1.4 Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT 17

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 17

1.4.2 Chế độ đóng ngắt 18

1.4.3 Vùng làm việc an toàn ( Safe Operating Area) 21

1.4.4 Bảo vệ IGBT 23

1.5 Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển 23

1.5.1 Phương pháp biến tần cổ điển 23

1.5.2 Biến tần đa bậc 24

1.5.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modules) 24

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 28

2.1 Sơ đồ khối 28

2.3.1 Lựa chon mạch công suất 34

2.3.2 Tính toán các phần tử trong mạch 35

2.3.2.1 Mạch nghịch lưu và tính toán chọn van IGBT 35

2.3.2.2 Tính toán Diode mạch chỉnh lưu 38

2.4 Lập trình phần mềm cho mạch điều khiển 39

2.4.1 Lưu đồ thuật toán phát xung PWM 39

2.4.2 Chương trình điều khiển 40

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ CHẠY THỬ 43

3.1 Kết quả khảo sát 43

3.2 Kết quả thử nghiệm 45

3.3 Kết luận 46

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ 3 pha

1.1.1 Cấu tạo và đặc điểm

a Cấu tạo:

Hình 1.1: Mô hình cắt bỏ của động cơ không đồng bộ 3 phaChú thích : 1: Vỏ máy

2: Khung sắt3: Dây quấn4: Trục động cơ

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stato) và phần quay (Roto).

 Phần tĩnh (Stato)

Vỏ máy: Thường được làm bằng gang Đối với máy có công suất lớn (1000kW),thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ vỏ máy có tác dụng cố định và bảo vệ máy Khung sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0.35 đến 0.5mmghép lại với nhau Vì khung sắt là phần từ, đồng thời từ trường đi qua khung sắt là từtrường xoay chiều, nhằm giảm tồn hao do dòng điện xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuậtđiện đều được phủ sơn cách điện Mặt trong của khung sắt được xẻ rãnh để đặt dâyquấn

Dây quấn: Được đặt trong các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt Dây quấnstato gồm có 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 điện

 Phần quay (Roto)

Trục: Được làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt roto

Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần Stato Lõi sắt được ép trựctiếp lên trục

b Đặc điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha:

- Cấu tạo đơn giản

- Nối trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

- Tốc độ quay của Roto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của Stato N < N1Trong đó:

N: Tốc độ quay của Roto

N1: Tốc độ quay của từ trường quay

1.1.2 Nguyên lý làm việc và các đại lượng đặc trưng:

- Nguyên lý làm việc:

Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một

từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn Roto, làm cảm ứng trên dâyquấn Roto một sức điện động E2, từ đó sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn Roto Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường Stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫnRoto và momen quay làm cho Roto quay với tốc độ N theo chiều quay của từ trường Tốc độ quay của Roto N luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato N1 Có

sự chuyển động tương đối giữa Roto và từ trường quay Stato duy trì được dòng điện I2

và momen vì tốc độ của Roto khác với tốc độ của từ trường quay Stato nên gọi là động

cơ không đồng bộ

- Các đại lượng đặc trưng

Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của Roto N và tốc độ quaycủa từ trường quay N1

S= (0 (1-1)

N1 = (1-2)

N = N1*(1 – S) (1-3)Sức điện động:

Khi Roto đứng yên: E20 = 4.44*f20*K2*W2* m (1-4)

Khi Roto chuyển động: E2S = 4.44*f2S*K2*W2* m (1-5)

Trong đó:

K2: Hệ số cuộn dây

W2: Số vòng dây

m: Từ thôngCông suất:

Công suất điện đưa vào: P1 = *U*I*cos (1-6)

Tổn hao điện từ: Pdt

Tổn hoa sắt: Pst

Công suất điện từ: Pdt = M* 1 = M* = P1 - Pdt - Pst (1-7)

Tổn hao do dây quấn Roto: Pd2

Công suất cơ ở trục: P'2 = M* = Pdt - Pd2 (1-8)

Tổn hao do ma sát: Pms

Công suất cơ đưa ra: P2 = P'2 - Pms (1-9)

P2 = P1 - Pdt - Pst - Pd2 - Pms (1-10)

Hiệu suất: η = (0.8 , 0.9) (1-11)

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ.

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho Sth thay đổi tỷ lệcòn Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ

R2f

~ 3 pha

ω

M Mth Mc

Mnm Sth2

ω2 R2f ic

0

Hình 1.3 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng

phương pháp thay đổi giá trị điện trở phụ Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thayđổi tỷ lệ, còn Mth = const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ có chung ω0 , Mth, có tốc

độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng

Qua hình 1.1, ta có: Mth = constVà: 0 < R2f1 < R2f2 < … < R2f.Ic < …

Sth.TN < Sth1 < Sth2 < … < Sth.Ic < …ΔωTN < Δω1 < Δω2 < … < ΔωIc < …ωTN > ω1 > ω2 > … > ωIc > … Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặctính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chíkhi R2f = R2f.Ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay được

Và khi thay đổi các giá trị R2f.I > R2f.Ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không nghĩa

Phương pháp này có sai số tĩnh lớn, nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s% cànglớn, có thể s% > s% cp Phù hợp với phụ tải thế năng, vì khi điều chỉnh mà giữdòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi (M ~ Mc).

* Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độđộng cơ điều khiển như trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độđộng cơ Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng (Mc = const)

* Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là điều chỉnhkhông triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnhhẹp, điều chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trởphụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn Mặc dù vậy, phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ cácđộng cơ điều khiển truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điềuchỉnh tốc độ không cao Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lượng thì dùng phươngpháp “ xung điện trở ”

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp Stato

Mômen động cơ điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điềuchỉnh mômen và tốc độ động cơ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stato và giữtần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như hình 1.2:

R2f

~ 3 pha

ω

M Mth

U đk

f1 Ub

ω2

Mth1 Mth2

TN, Uđm, R2f = 0

Mc (ω)

Ub2 < Ub1 Ub1 < Uđm Uđm, R2f ≠ 0 S=0

Hình 1.4 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng

phương pháp thay đổi điện áp Stato

Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi Ub = Uđm thì mômen tới hạn(Mth.U) tỉ lệ với bình phương điện áp, còn (Sth.U) = Const.

Mth.U = Mth.gh ( )2 = Mth.Ub2 (1-12)

Sth.U = Sth.gh = Const (1-13)

Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ,người ta mắc thêm điện trở R2f (hình 1.1) Khi đó, nếu điện áp đặt vào stato là địnhmức (Ub = U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giớihạn

Rõ ràng là: (Mth.gh) = Mth

Trong đó: Mth.gh, Sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn

Mth, Sth là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên

Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải làhàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, … Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu,điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm bộ ĐAXC cho động cơ

1.2.3 Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực

Theo quan hệ: ω = ω0(1 − s) = (1-14)

Trong đó: f1 là tần số lưới điện, P là số đôi cực

Vậy thay đổi số đôi cực P, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được ω Để cóthể thay đổi được số đôi cực P, người ta phải chế tạo những động cơ đặc biệt, cócác tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được P khác nhau, gọi là máy đa tốc

+ Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi

số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng và khả năng điềuchỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng)

Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượtkhi điều chỉnh thực tế không đáng kể

+ Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, giải điều chỉnh khôngrộng và kích thước động cơ lớn

1.2.4 Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số

- Vấn đề thay đổi tần số của điện áp stato

Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f1 thì ω0 = 2pf1/p sẽ thay đổi và sẽ điều chỉnhđược tốc độ động cơ Nhưng khi thay đổi f1 và f1đm thì có thể ảnh hưởng đến chế độlàm việc của động cơ

Giả sử mạch stato: E1 ≈ CΦff1

Trong đó: E1 là sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato

Φf là từ thông móc vòng qua cuộn dây stato

C là hằng số tỉ lệ, f1 là tần số của dòng điện stato

Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stato thì ta có:

U1 ≈ E1 ≈ CΦff1

Ta thấy: nếu thay đổi f1 mà giữ U1 = const thì ω sẽ thay đổi theo

Hình 1.5 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thay đổi tần số

Khi thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ thì người ta thường kết hợp thay đổiđiện áp Stato U1 và dùng bộ biến đổi tần số (BT) để thay đổi tốc độ động cơ.

- Quy luật điều chỉnh điện áp stato khi thay đổi tần số:

ω

M

ωđm ω1

Mc (ω)

f1 đm < f11 f1 đm f12 < f11

ω1 f1 đm < f11

f1 đm f12 < f11

M ω

ω

ω f1 đm < f11

f1 đm f12 < f11 Mth ω

Mc (ω)

ω2 ωđm

ω1

ω2 ωđm ω1

f1 đm < f11 f1 đm f12 < f11

Khi phụ tải Mc = const (q = 2) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần

số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều cótần số điều khiển được nhờ khóa điện tử

- Phân loại biến tần:

+ Biến tần trực tiếp:

Còn gọi là biến tần phụ thuộc, thường dùng các nhóm chỉnh lưu, điều khiển mắcsong song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận đượcdòng điện xoay chiều trên tải Như vậy điện áp xoay chiều U1 (f1) chỉ cần qua 1 van

là chuyển ngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp, chỉ sử dụngcho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vì việc thay đổi tần số

f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1

Việc biến đổi 2 làn sẽ làm giảm hiệu suất của biến tần Tuy nhiên việc ứng dụngcủa hệ điều khiển dùng vi xử lý nên phát huy được tối đa các ưu điểm của loại biếntần này và thường được sử dụng rộng rãi hơn.

Hình 1.7 Cấu trúc biến tần gián tiếpKết luận: Sử dụng biến tần gián tiếp để thực hiện đề tài.

1.3.2 Biến tần gián tiếp:

Do tính chất của từng bộ lọc nên biến tần được chia làm 2 loại:

+ Biến tần nguồn áp: là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều là nguồndòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còndạng điện áp trên tải thì phụ thuộc và các thông số của tải quy định

+ Biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều

là nguồn áp, dạng của điện áp trên tải phụ thuộc vào dạng điện áp của nguồn còndạng dòng điện trên tải thì phụ thuộc vào các thông số của tải quy định

- So sánh 2 loại biến tần:

Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi 2 khóa bán dẫn trong cùng 1 nhánh của bộnghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua 2khóa được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây

ra sự cố ngắn mạch và làm hỏng van bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồndòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp

Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng vềnguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộ biến tần nguồn

áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện được cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnhlưu có điều khiển hoàn toàn

Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thểhoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạtđộng được ở chế độ này.

Bộ biến tần nguồn dòng sử dụng cuộn cảm L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ranguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biếntần nguồn áp kiểu PWM

Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển đóngngắt các khóa bán dẫn Kỹ thuật PWM cho phép giảm tổn thất sóng hà bậc cao gâynên trên động cơ, không gây ra momen đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp Tuynhiên kỹ thuật điều chế PWM lại khó áp dụng cho biến tần nguồn dòng, nếu cócũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp

Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn

so với biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do sử dụngcuộn cảm lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao

Dải điều chỉnh của biến tần nguồn dòng thấp hơn so với dải điều chỉnh của biếntần nguồn áp

Kết luận: sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp cho đề tài

1.3.3 Cấu trúc biến tần gián tiếp nguồn áp

Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp có ưu điểm tạo ra dạng dòng điện và điện áp dạngsin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Biến tần gián tiếp nguồn áp có 2 bộ phận riêng biệt:

+ Phần động lực:

Bộ phận chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều có tần số f1 vềdòng điện 1 chiều

Bộ lọc: nó có tác dụng san bằng điện áp sau chỉnh lưu

Bộ nghịch lưu: là bộ quan trọng nhất của biến tần Nó có nhiệm vụ biến đổi dòngđiện 1 chiều nhận từ khối chỉnh lưu sang dòng xoay chiều với tần số f2

+ Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu, quyết định sự làm việc của mạch động lực Để đảmbảo yêu cầu về tần số, hình dạng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiểnquyết định.

Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần:

Khâu phát xung chủ đạo: Là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộphận phân phối xung điều khiển đến từng transistor Khâu này đảm nhận điềuchỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn có thể đảm nhiệm chức năng khuếchđại xung

Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâuphát xung chủ đạo

Khâu khuếch đại trung gian: Có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộphận xung đưa đến đảm bảo kích cỡ mở van

1.4 Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT

1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

N_P+

Hình 1.8: Cấu trúc và sơ đồ tương đương của IGBT Transistor có cực điều khiển được cách ly (Insulated Gate Bipolar Transistor),hay IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất được phát minh bởi Hans W.Beck vàCarl F.Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh củaMOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm

1 lớp nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn PNP giữa Emiter với collector màkhông phải N-N như ở MOSFET Vì thế có thể coi IGBT tương đương với mộttransistor PNP với dòng Base được điều khiển bởi 1 MOSFET

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE>0, kênh dẫn với các hạt mang điện

là các điện tử được chia thành, giống trong cấu trúc MOSFET Các điện tử dichuyển về phía Collector vượt qua lớp tiếp giáp N-P tạo nên dòng Collector

Hình 1.9: Ký hiệu của IGBT

1.4.2 Chế độ đóng ngắt

Do có cấu trúc đặc thù mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn ở dòngIGBT thấp hơn so với ở MOSFET Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gianđóng ngắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET Đặc biệt là khi khóa lại

R On

Off U

 Phân tích đặc tính động của IGBT

- Quá trình mở IGBT:

Quá trình mở IGBT xảy ra khi khóa K tại vị trí ON điện áp điều khiển tăng

từ 0 đến giá trị UG Trong thời gian trễ khi mở tín hiệu điều khiển làm điện áp giữa cực điều khiển và Emitor tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị ngưỡngUGE, điện áp này vào khoảng từ 3-5V Khi có đủ điện áp thì MOSFET trong van IGBT mới bắt đầu mở ra Dòng điện giữa Colector và Emitor tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải ICM trong thời gian Tr Trong thời gian Tr điện

áp giữa cực điều khiển và Emitor tăng đến giá trị UGE,ICM xác định giá trị dòng IC qua Colector Do diotde bảo vệ IGBT còn đang dẫn dòng tải ICM nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều UDC Tiếp theo quá trình mở diễn ra hai giai đoạn Tđ(on),TR Trong suốt hai giai đoạn này thì điện

áp giữa hai cực điều khiển và cực Emitor được giữ nguyên ở mức UGE,ICM để duy trì dòng IC, do dòng điều khiển hoàn toàn nên IGBT vẫn làm việc trong chế

độ tuyến tính Vì vậy trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khoá và phục hồi của diode tạo nên xung dòng trên mức IC của IGBT Khi đó điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hoà Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của Colectơ dẫn đến điện trở giữa Colectơ và Emitơ về giá trị RON thì khoá bão hoà

- Quá trình khóa IGBT

Quá trình khoá bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG, trong thời gian trễ khi khoá thì khi đó điện áp trên cực điều khiển và cực Emitor giảm xuống nên điện áp GE giảm xuống UGE,Ic và được giữ không đổi do điện

áp UCE bắt đầu tăng lên Điện áp UCE tăng bão hoà trong khoảng thời gian Tr

Từ cuối khoảng Tr thì diode bắt đầu mở ra cho dòng ICT ngắn mạch chạy qua

do đó dòng Colector bắt đầu giảm Quá trình này trải qua hai giai đoạn ban đầu thì dòng chạy qua MOSFET nhanh chóng giảm xuống không và khi điện áp điềukhiển là -UG thì van được khoá hoàn toàn

 Các thông số đặc trưng của IGBT

-Điện áp khóa Colector – Emitor (UCE): Là điện áp Colector – Emitor cực đại ở trạng thái khóa khi đầu vào Emiter ngắn mạch Sự đánh thủng quy định dòng điện

rò và thay đổi theo nhiệt độ với hệ số nhiệt dương

-Điện áp cổng Emiter (UGE): Là điện áp cổng Emiter cực đại cho phép khi

Colector ngắn mạch với Emiter Chiều dày và đặc tính lớp oxit ở cổng xác định điện áp này Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện Colector khi bị sự cố

-Dòng điện Colector một chiều (IC): Là dòng điện một chiều cần thiết để nhiệt

độ cực đại của chuyển tiếp không quá 150oC, nhiệt độ vỏ 25oC

-Dòng điện đỉnh cực Colector lặp lại (ICM): Là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT có thể chịu được Có trị số cao hơn dòng IC.

Ngoài ra còn một số các thông số khác:

- Thời gian trễ khi đóng (tđ)

- Thời gian tăng trưởng (tr)

- Thời gian trễ mở (t đ(off))

- Thời gian giảm (tf)

- Diện tích làm việc an toàn (SOA)

1.4.3 Vùng làm việc an toàn ( Safe Operating Area)

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà các phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa SOA của IGBT được biểu diển ở hình 1.10

Trong hình 1.10 (A ) khi điện áp đặt lên cực điều khiển Emitor là dương (+) và ở

2 cực còn lại là âm (-), diện tích làm việc an toàn (SOA) có dạng hình chữ nhật vớigóc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Điều này có nghĩa là khi chu kỳ đóng ngắt càng ngắn ứng với tần số làm việc càng

hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng P của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT

mở trở lại như tác dụng đối với thyristor Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng

áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với các phần tử bán dẫn công suất khác

Giá trị lớn nhất của dòng cho phép Collector được chọn sao cho tránh hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được giống như ở thyristor Hơn nữa điện áp điều khiển lớn nhất UGE cũng phải được chọn để có thể giới hạn được dòng điện ICE

trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện có sự cố ngắn mạch bằng cáchchuyển đổi từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòng ICE được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp UCE lúc đó IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh

- Yêu cầu với tín hiệu điều khiển

IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp giống như MOSFET nên yêu cầu phải

có điện áp liên tục trên các cực điều khiển và Emiter để xác định chế độ đóng, ngắt Mạch điều khiển IGBT tối thiểu như hình sau:

IGBT

Hình 1.11: Mạch điều khiển IGBT

1.4.4 Bảo vệ IGBT

Thông thường IGBT được sử dụng trong các mạch có tần số đóng cắt rất cao từ

2 đến hàng chục kHz Với tần số cao như vậy, những sự cố có thể sẽ xảy ra rấtnhanh và làm hỏng các van IGBT và cả thiết bị Sự cố thường xảy ra nhất đó là quádòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía các phần tử của bộ điều khiển

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuynhiên khi quá tải do dòng điện làm cho IGBT thoát khỏi chế độ bão hòa dẫn đếncông suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy các phần tử rất nhanh (chỉ sau vài chu

kì đóng ngắt) Mặt khác, khi khóa IGBT lại trong 1 thời gian rất ngắn khi dòng điệnrất lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng quá lớn gây quá áp trên Collector, Emiter sẽ đángthủng IGBT

Diode D1 được mắc như trên hình 1.11 có tác dụng chống dòng ngược khi IGBThoạt động để bảo vệ IGBT Ngoài ra 2 diode zener được mắc giữa cực điều khiển

và cực Emiter nhằm ghim (ổn định) điện áp cho cực điều khiển

Trong sự cố quá dòng, ta không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xungngắn theo quy luật cũ nữa Nhưng cũng không đơn giản là ngắt dòng điện để ngắtxung điều khiển dập tắt dòng điện được

=> Có thể ngăn chặn hậu quả quá dòng cho IGBT bằng cách sử dụng các mạchdập RC mắc song song với các phần tử Giải pháp tối ưu nhất là làm chậm lại quátrình ngắt của IGBT hay còn được gọi là khóa mềm (soft turn – off) khi phát hiện

có sự cố dòng tăng quá mức cho phép

Tín hiệu mở có biên độ Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch

GE qua điện trở Rg (Hình 1.11) Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mứckhoảng +-18V

1.5 Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển

1.5.1 Phương pháp biến tần cổ điển

Nghịch lưu áp 3 pha được ghép từ 3 sơ đồ nghịch lưu 1 pha có điểm trung tính