đồ án điện tử công suất

đồ án điện tử công suất

Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Trờng đại học s phạm kỹ thuật hng yên Khoa Điện - Điện Tử Thuyết minh đồ án môn học điện tử công suất đề tài: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy Sinh viên thực hiện: Lớp: ĐK4H Hng Yên, 2007 Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 1 Trần Nhân Quý Nguyễn Thị Kim Oanh Hoàng Công Thái Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Trờng đhsp kỹ thuật hng yên cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Khoa điện điện tử Độc lập- Tự do- Hạnh phúc đồ án môn học Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện. Khóa học: 2006 - 2008 Giáo viên hớng dẫn : Đỗ Quang Huy Sinh viên thực hiện : 1/ Tên đề tài: Thiết kế và tính toán mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập 2/ Nội dung cần hoàn thành: 1- Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số phần tử bán dẫn công suất. 2- Nghiên cứu nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 3- Thiết kế, tính toán đợc mạch lực và mạch điều khiển sử dụng các van bán dẫn điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thông số cụ thể cho trớc. 4- Một quyển thuyết minh đi kèm. 3- Thời gian thực hiện: - Ngày giao đề: - Ngày hoàn thành: Giáo viên hớng dẫn Đỗ Quang Huy Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 2 Trần Nhân Quý Nguyễn Thị Kim Oanh Hoàng Công Thái Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Nhận xét đánh giá của giáo viên hớng dẫn Ngày tháng năm2007 Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 3 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Lời nói đầu Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã đợc sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Vì thế môn học Điện Tử Công Suất là một trong những môn khoa học đặc biệt trong các trờng kỹ thuật để ngời học có điều kiện học tập nghiên cứu ra những ứng dụng phục vụ cho thực tiễn. Tuy nhiên những ứng dụng đó vẫn cha đợc khai thác triệt để trong hệ thống điều khiển, đo lờng và điều chỉnh Trong quá trình học tập tại trờng Đại Học S Phạm Kỹ Thuật Hng Yên đợc sự chỉ đạo của nhà trờng, của khoa Điện - Điện Tử và đặc biệt là thầy Đỗ quang huy đã hớng dẫn chúng em làm đề tài Thiết kế và tính toán mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Và trong cuốn thuyết minh này nhóm chúng em đã trình bày đợc những vấn đề cơ bản mà đề tài đã yêu cầu. Tuy nhiên với thời gian và kiến thức còn hạn chế nên nội dung còn có những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy, các cô và toàn thể các bạn để đề tài của chúng em đợc hoàn thiện hơn. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 4 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Mục lục Tên đề mục Trang Chơng 1. Giới thiệu về van bán dẫn A. Giới thiệu đặc điểm vật liệu bán dẫn 1. Chất bán dẫn nguyên chất 2. Chất bán dẫn tạp chất B. Một số phần tử bán dẫn công suất I. Diode công suất 1.1. Cấu tạo 1.2. Nguyên lý hoạt động 1.3. ứng dụng II. Transistor công suất 2.1. Cấu tạo và ký hiệu 2.2. Nguyên lý hoạt động 2.3. ứng dụng của Transistor công suất 2.4. Transistor Mos công suất III.Tiristor 3.1 Cấu tạo của Tiristor 3.2 Nguyên lý hoạt động 3.3.ứng dụng của Tiristor Chơng 2: Tổng quan về động cơ điện một chiều I. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều. 1.Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song. 2.Động cơ điện kích thích nối tiếp. 3. Động cơ điện kích thích hỗn hợp: II. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. 1. Đặt vấn đề 2. Hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 2.1. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng : 2.2. Thay đổi từ thông động cơ : 7 9 9 11 16 19 22 Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 5 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử III. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lợng hệ thống điều chỉnh tốc độ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ ( Dãy điều chỉnh ): 2. Sai số tốc độ (sai lệch tĩnh): 3. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ: Chơng 3. Tính toán và thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dùng điện tử công suất Phần I : Nguyên lý hoạt động của mạchchỉnh lu cầu ba pha Phần II: Thiết kế mạch điều khiển 1. Chọn phơng pháp phát xung: 2.Thiết kế mạch điều khiển 2.1. Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng ca (khối I) . 2.2. Khối so sánh : 2.3. Khối tạo xung 2.3.1.Tạo xung chùm điều khiển 2.3.2.Khâu khuếch đại và biến áp xung Phần III : Tính toán các thông số của mạch động lực và mạch điều khiển III.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế. III.2. Tính chọn Tiristor III.3. Tính toán máy biến áp chỉnh lu. Tính sơ bộ mạch từ (xác định kích thớc sơ bộ bản mạch từ) Tính toán dây quấn. Kết cấu dây dẫn sơ cấp. Kết cấu dây quấn thứ cấp. Tính kích thớc mạch từ. Tính khối lợng của sắt và đồng Tính các thông số của máy biến áp. III.4. thiết kế cuộn kháng lọc 1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 2. Xác định các thành phần sóng hài 3. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 25 28 34 44 44 45 46 56 Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 6 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử 4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc. III.5. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 1.Sơ đồ mạch động lực khi có các thiết bị bảo vệ 2. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 3. Bảo vệ quá dòng điện cho van 4. Bảo vệ quá điện áp cho van III.6. Tính toán các thông số của mạch điều khiển. 1.Tính biến áp xung 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng. 3. Chọn cổng AND 4. Chọn tụ C3 và R9 5.Tính chọn bộ tạo xung chùm 6. Tính chọn tầng so sánh. 7. Tính chọn khâu đồng pha. 8. Tạo nguồn nuôi 9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha. 63 67 Chơng 1 Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 7 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử giới thiệu về van bán dẫn A. Giới thiệu đặc điểm vật liệu bán dẫn 1. Chất bán dẫn nguyên chất Khái niệm: là chất mà khi tăng nhiệt độ thì chất bán dẫn dẫn điện tốt. Chất bán dẫn nguyên chấtgồm hai loại: Germani (Ge) và Silic (Si) thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Khi có năng lợng đặt vào thì các điện t ở mối liên kết sẽ bứt ra khỏi mối liên kết đó tạo ra hạt điện tử tự do chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể. Khi có nguồn điện trờng vào làm các hạt điện tử chuyển động theo chiều điện trờng làm xuất hiện dòng điện có chiều ngợc với dòng chuyển dời lcủa các hạt điện tử. Nồng độ của các hạt điện tử n i Nồng độ các hạt lỗ trống p i Khi nồng độ các hạt điện tử cân bằng với các lỗ trống thì xảy ra cân bằng điện trờng, nghĩa là n i = p i . 2. Chất bán dẫn tạp chất - Loại N: pha vào đơn tinh thể chất bán dẫn (Ge, Si) một lợng tạp chất thuộc nhóm V trong bảng hệ thống tuần hoàn bằng công nghệ đặc biệt với nồng độ từ 10 10 ữ 10 18 nguyên tử/cm 3 . Dòng điện I do hai thành phần tạo nên đó là lỗ trống và các hạt điện tử (n n >> p n ). - loại P: tiến hành pha vào đơn tinh thể chất bán dẫn (Ge, Si) một lợng tạp chất thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn bằng công nghệ đặc biệt với nồng độ 10 10 ữ 10 18 nguyên tử/cm 3 . Các đơn tinh thể pha vào có ba điện tử tự do liên kết với (Si) còn mối liên kết thứ t của tạp chấtbị khuyết (lỗ trống) có khả năng nhận điện tử về suy ra loại P. Dòng điện I do hai thành phần không tơng nhau tạo nên lỗ trống gọi là đa số. Các hạt điện tử là thiểu số (n p <<P P ). B. một số phần tử bán dẫn công suất I. diode công suất. Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 8 Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử 1.1. Cấu tạo: Hình 1. a- Cấu tạo của diode b- Ký hiệu của diode Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, đợc cấu tạo bởi một lớp bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại. Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của Silic tham gia liên kết với 5 điện tử của nguyên tố kia làm xuất hiện 1 điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện. Do điện tử có điện tích âm nên chất này đợc gọi là chất bán dẫn loại N (Negative) có nghĩa là âm. Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III thì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ trống này có thể nhận một điện tử tạo nên điện tích dơng và làm tăng tính dẫn điện. Chất này gọi là chất bán dẫn loại P (Positive) có nghĩa là dơng. ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN, tại đây xảy ra hiện tợng khuếch tán các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N và các điện tử của bán dẫn loại N chạy sang P. Kết quả tại mặt tiếp giáp phía P nghèo đi về điện tích dơng và giàu lên về điện tích âm còn bán dẫn loại N thì ngợc lại. Trong vùng chuyển tiếp (- ) hình thành một điện tờng nội tại. Ký hiệu là E i và có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến 0,7 V đối với vật liệu là Silic). Điện trờng này ngăn cản sự sự di chuyển của các điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích tiểu số (điện tử của vùng P và lỗ trống của vùng N). Sự di chuyển của các điện tích thiểu số hình thành nên dòng điện ngợc hay dòng điện rò. 1.2. Nguyên lý hoạt động Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 9 ( b ) Anôt Katot ( a ) - + - + - 0 q N P d NP ( a ) + - U E i P N ( b ) - + U E i P N Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Hình 2. a- Sự phân cực thuận Diode, b- Sự phân cực ngợc Diode Khi đặt Diode công suất dới điện áp nguồn U có cực tính nh hình vẽ, chiều của điện trờng ngoài ngợc chiều với điện trờng nội E i . Thông thờng U > E i thì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên Diode khoảng 0,7 V khi dòng điện là định mức. Với sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế. Ta nói mặt ghép PN đợc phân cực thuận. Khi đổi chiều cực tính điệm áp đặt vào Diode, điện trờng ngoài sẽ tác động cùng chiều với điện trờng nội tại E i . Điện trờng tổng hợp cản trở sự di chuyển của các điện tích đa số. Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dơng nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì thế vùng chuyển tiếp lại càng rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép PN. Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngợc. Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích đợc gia tốc gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đáng thủng. Đặc tính Volt Ampe của Diode công suất đợc biểu diễn gần đúng bằng biểu thức sau: I = I S (exp (eU/kT) 1) (1.1) Trong đó: I S : Dòng điện rò, khoảng vài chục mA E = 1,59.10 -19 Coulomb K = 1,38.10 -23 hằng số Bolzmann T = 273 + t 0 nhiệt độ tuyệt đối ( 0 K) t 0 : Nhiệt độ của môi trờng ( 0 C) U : Điện áp đặt trên Diode (V) Giáo viên hớng dẫn: Đỗ Quang Huy 10 I U U Z U 1 2 . Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Trờng đại học s phạm kỹ thuật hng yên Khoa Điện - Điện Tử Thuyết minh đồ án môn học điện tử công suất đề tài:. Hoàng Công Thái Trờng đhspkt Hng yên đồ án môn học Khoa điện - điện tử Trờng đhsp kỹ thuật hng yên cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Khoa điện điện tử Độc