ĐỒ ÁN Điện tử công suất:Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều: Chương 1: Kiến thức tổng quát 1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động 1.1.2Phương trình đặc tính cơ 1.1.3Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều 1.2.1 Khái niệm, phân loại các bộ băm xung áp một chiều 1.2.2 Van IGBT 1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều Chương 2: Nghiên cứu thiết kế tính toán mạch lực 2.1 Thiết kế mạch lực 2.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch lực Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển 3.2 Chức năng của từng khâu 3.3 Tính toán mạch điều khiển Chương 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển 4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM 4.2 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển

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 bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

Giảng viên hướng dẫn : PHẠM THỊ THÙY LINH

Sinh viên thực hiện: LƯU VĂN DƯƠNG

Ngành : CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

Lớp : D9CNTD1

Khoá : 2014- 2019

Hà Nội, tháng 7 năm 2017

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trìnhcông nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyềnđộng điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoácho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đemlại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền độngthông thường như: Khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng em đã

được giao thực hiện đề tài:Thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp

Với sự hướng dẫn tận tình của cô giáo: Phạm Thị Thùy Linh chúng em đã tiến hành

nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn chế nên khôngthể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của chúng emđược hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

Chương 1: Kiến thức tổng quát

1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập

1.1.1 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1.1.2Phương trình đặc tính cơ

1.1.3Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều

1.2.1 Khái niệm, phân loại các bộ băm xung áp một chiều

1.2.2 Van IGBT

1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế tính toán mạch lực

2.1 Thiết kế mạch lực

2.2 Tính toán, lựa chọn các phần tử trong mạch lực

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển

3.1 Cấu trúc mạch điều khiển

3.2 Chức năng của từng khâu

3.3 Tính toán mạch điều khiển

Chương 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển

4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM

4.2 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUÁT

1.1 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập.

1.1.1 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

A,Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính sau:

a Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện Cực từđược gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọccách điện

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn,trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cáchđiện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điệnvới nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vànhgóp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiếngóp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làmbằng thép Cacbon tốt

C, Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng códòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđttác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phầnứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiềudòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đxác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còngọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng 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 của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừđộc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộcvào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải màchỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

F a

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ định mứcvới đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn haynối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β

được tính như sau Δβ=

ΔM Δω

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

K=

p.n 2aπ : hệ số cấu tạo của động cơ

phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.

Trường hợp thay đổi U< U đm

Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω=

U dm Kφ

Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:

a Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông ∅

Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Hình 4: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Đồ thị trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với các giá trịkhác nhau của từ thông Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng ∆n còn tang nhanh hơn do đó

ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau Chúng sẽ hội tụ về điểm trêntrục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư=U/Rư Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớnhơn tốc độ định mức Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là1:2; 1:5; 1:8

Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải thực hiện các biện phápkhống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy tăng

b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng.

Ta có:

n= U −R ư I ư

K E ∅ kt

Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆ n là thay đổi Một điều dễ thấy nữa

là do ta chỉ có thể đưa thêm Rf, chứ không thể giảm Rư nên ở đây chie điều chỉnh đượctốc độ dưới tốc độ định mức

Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi(từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc tính

cơ nào mềm hơn tốc đọ sẽ thay đổi nhiều hơn)

Tuy nhiên phương pháp này làm tang công suất giảm hiệu suất.

Hình 5: Đồ thị đặc tính khi tải thay đổi

c Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

Hình 6: Đồ thị đặc tính khi điện áp thay đổiPhương pháp này cho phép điêu chỉnh tốc độ cả tên và dưới định mức Tuy nhiên docách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp

U Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆ n là hằng số nên tốc độ n giảm Vì vậy thường chỉ điềuchỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rấtnhỏ

Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì moomen không đổi

vì từ thông và dòng điện phần ứng không thay đổi (M= CM.θ.Iư)

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn cóthể đến 1:25

Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song songlàm việc ở chế độ kích từ độc lập

BBĐ một chiều

1.2 Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều

1.2.1 Khái niệm, phân loại các bộ băm xung áp một chiều

a Khái niệm chung

Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồn điện một chiều Us tạo ra điện áp tải Uracũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được

Hình 7: Sơ đồ tổng quát và dạng điện áp đầu raUra là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằnggiá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của các bộbiến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ đểđiều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải

b Phân loại các bộ băm xung áp

- Bộ băm xung áp song song

- Bộ băm xung áp nối tiếp

- Bộ băm xung áp song song và nối tiếp hỗn hợp

1.2.2 Van IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly là

một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F.Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khảnăng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằngđiện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ

a Đặc điểm cấu tạo

IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác

nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu

trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực

gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà

không phải là n-n như ở MOSFET Vì thế có thể

coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p

với dòng base được điều khiển bởi một

MOSFET

Hình 8: cấu tạo van IGBT

b Điều khiển mở van, khóa van

- Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn hẳn so với Mosfet Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt củaIGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tươngđương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thànhphần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa lạinhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ khôngsuy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũytrong (tương đươngvới bazo của cấu trúcp-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích Điều này xuất hiện vùng dòngđiện kéo dài khi khóa IGBT

- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 9: Sơ đồ thử nghiệm IGBT

Quá trình mở của IGBT

- Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiểnvào tăng tử 0 đến giá trị Ug Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho

tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trịngưỡn Uge( 3 đến 5v) Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở

ra Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trongthời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Ugexác định giá trị dòng Io qua colecto Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp Uce

vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giaiđoạn T1 và T2 Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ nguyên Uge đểduy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc IGBT vẫn làm việctrong chế đô tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hổi của diode

Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng Io của IGBT Điện ápUce bắt đầu giảm.IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bãohòa Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colecto dẫn đếnđiện trở colecto-emite về đến giá trị Ron khi bão hòa hoàn toàn Uce= IoRon

Sau thời gian mở Ton khi tụ C đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển vàemito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CR đến giá trị cuối cùng

Ug

Hình10: Quán trình khóa van IGBT

Quá trình khóa IGBT

Hình 11: Quán trình khóa van IGBT

c Các thông số cơ bản của van

Khi chọn van IGBT ta cần chú ý đến các thông số cơ bản Uce max, Uce bão hòa, Ic (A),

P (w), R(K/W)

1.2.3 Phân tích sơ đồ băm xung một chiều có đảo chiều

Ở đây ta sử dụng van bán dẫn IGBT Bộ BXMC dùng van điều khiển hoàn toànIGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải

Trong các hệ truyền động tự động có yêu cầu đảo chiều động cơ do đó bộ biến đổi

này thường hay dùng để cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập có nhu

cầu đảo chiều quay

Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4

dùng.để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh

Có các phương pháp điều khiển khác nhau như : Điều khiển độc lập,điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng

Hình 12: Sơ đồ mạch lựca.Phương pháp điều khiển độc lập

Nếu ta muốn động cơ chạy theo chiều nào thì ta sẽ chỉ cho một cặp van chạy ,cặp còn lại sẽ khoá

+Muốn cho động cơ quay thuận cho S1,S2 dẫn ,S3,S4 nghỉ

+Muốn cho động cơ quay nghịch cho S1,S2 nghỉ ,S3,S4 dẫn

b.Phương pháp điều khiển riêng

Chế độ hoạt động:

+Trong khoảng 1: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nốivới nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax

+Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải cótính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bịđạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng id giảm từ Imax về 0

+Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng idtăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương)

+Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đódòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạchqua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 vàD2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0

c.Phương pháp điều khiển không đối xứng

Giả sử động cơ quay theo chiều thuận (động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 1vàthứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngượcpha với S1

Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc :

 Trạng thái 1:  E>Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất Năng lượng cấp cho

động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0  t1

+Trong khoảng t1 T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4

Trạng thái 2:  E<Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2 (chế độ hãm)

+Trong khoảng 0 t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2

+Trong khoảng t0 t1 :  E>Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ

nguồn qua S1 , S2 cấp cho động cơ

+Trong khoảng t1 t2: S1 khóa ,S4 mở Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấpcho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 ,Đ4

+Trong khoảng t2 T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2

Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi theochiều ngược lại Trong trường hợp này, van S3 và S2 dẫn ngược nhau, vanS4 luôn dẫn,van S1 luôn khóa

ID = U L (1−a1 b1)(1−b1−1)

1−a1 - E R (1−γU )=(1−γU )It

+ GIá trị trung bình điện áp ra tải Ut = γU

Vậy để điều khiển động cơ ta chỉ cần điều khiển γ để điều chỉnh điện áp ra tải