Thiết Kế Bộ Băm Xung 1 Chiều Có Đảo Chiều Để Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Điện 1 Chiều Kích Từ Độc Lập

Trờng đại học bách khoa hà nội Khoa điện Bộ môn tự động hoá XNCN Đồ án điện tử công suất Giáo viên hớng dẫn: Võ Minh Chính Sinh viên : Lê Ngọc Tâm Nhóm đồ án ĐTCS Lớp Tự động hoá K46 Hà Nội tháng - 2004 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Đề Thiết kế băm xung chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động điện chiều kích từ độc lập với thông số sau: Phơng án Điện áp acquy (V) 120 220 100 400 600 Dòng điện định mức (A) 20 15 10 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 10:1 15:1 20:1 25:1 15:1 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm đồ án ĐTCS Lớp TĐH3 K46 Võ Văn Quang Bùi Xuân Dơng Nguyễn Minh Đức Trần Ngọc Dũng Lê Ngọc Tâm Giáo viên hớng dẫn: Võ Minh Chính Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Mục lục Chơng Chơng Đề Lời nói đầu Giới thiệu động điện chiều 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan động điện chiều 1.2.1 Giới thiệu số loại động điện chiều 1.2.2 Động điện kích thích độc lập 1.3 Các vấn đề khác điều động điện chiều 1.3.1 Các góc phần t làm việc 1.3.2 Các chế độ làm việc ĐCĐ chiều kích từ độc lập 1.3.3 Vấn dề phụ tải Mạch băm xung 2.1 Giới thiệu băm xung chiều (BXDC) 2.1.1 Ph¬ng pháp thay đổi độ rộng xung 2.1.2 Phơng pháp thay đổi tần số xung 2.1.3 Nhn xét 2.2 Các s đồ băm xung 2.2.1 Sơ đồ giảm ¸p (Step-down (Buck)) 2.2.2 Biến đổi tăng áp (step-up (boost)) 2.2.3 S băm đảo cưc (Step-down/up (buckboost)) 2.2.4 Bộ Chopper lớp C (Bộ đảo dßng) 2.2.5 Bộ Chopper lớp D (bộ đảo áp) 2.2.6 Bộ Chopper lớp E Sơ đồ nguyªn lý C¸c phương ph¸p điều khiển 2.3 Kết luận 2.3.1 Chọn mạch lực 2.3.2 Chọn phương ph¸p điều khiển 2.3.3 Chn van bán dn Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Chơng Chơng Chơng Thiết kế mạch lực 3.1 Tính to¸n chọn van 3.1.1 Chọn Diode cơng suất 3.1.2 Chọn van bán dn Thiết kế mạch điều khiển 4.1 Yêu cầu chung mạch điều khiển 4.2 Nguyên lý chung mạch điều khiển 4.3 IC TL494 4.4 IC 2SD106AI 4.4.1 Giíi thiƯu vỊ IC SCALE driver 4.4.2 Chøc bảo vệ SCALE driver 4.4.3 Hoạt động SCALE driver 4.5 Thiết kế nguồn mạch điều khiển Mô pháng 5.1 Sơ đồ tổng thể 5.2 Kết m« pháng 5.2.1 Khi  =0.8 (y=0.8) 5.2.2 Khi  = 0.53 (y=0.53) 5.3 Nhận xÐt kết m« 5.4 Ph lc Tài liệu tham khảo Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Lời nói đầu ng dng in t cụng sut truyn động điện – điều khiển tốc độ động điện lĩnh vực quan trọng ngày phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho đời sản phẩm công nghệ phần tử bán dẫn công suất thiết bị điều khiển kèm Do thực đồ án chúng em cố gắng cập nhật kiến thức nhất, công nghệ lĩnh vực điều khiển phần tử bán dẫn công suất Với yêu cầu thiết kế mạch băm xung đảo chiều điều khiển động điện chiều, chúng em cố gắng tìm hiểu kĩ phương án công nghệ cho thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Với hy vọng đồ án thiết kế kĩ thuật áp dụng thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ việc lắp đặt bố trí thiết bị Mặc dù chúng em nỗ lực cố gắng nhiên số phần đồ án công nghệ mới, tài liệu tham khảo chủ yếu tiếng Anh lần chúng em làm đồ án, trình độ hiểu biết nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong nhận phê bình góp ý thầy để giúp chúng em hiểu rõ vấn đề để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Minh Chính tận tình hương dẫn giúp chúng em hồn thành đồ ỏn Nhúm sinh viờn thc hin Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Chơng Giới thiệu động điện chiều 1.1 Đặt vấn đề Cùng với tiến văn minh nhân loại chứng kiến phát triển rầm rộ kể quy mô lẫn trình độ sản xuất đại Trong phát triển ta dễ ràng nhận khẳng định điện máy tiêu thụ điện đóng vai trò quan trọng thiếu đợc không muốn nói chủ chốt Nó trớc bớc làm tiền đề nhng mũi nhọn định thành công hệ thống sản xuất công nghiệp Không quốc gia nào, sản xuất không sử dụng điện máy điện Do tính u việt hệ thống điện xoay chiều: dể sản xuất, để truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày đợc sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định nh công nghiệp giao thông vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (nh máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp nhng u điểm mà máy điện chiều thiếu sản xuất đại Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song u điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu nh thân động không đồng đáp ứng đợc Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 đáp ứng đợc phí thiết bị biến đổi kèm (nh biến tần ) đắt tiền động điện chiều điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lợng cao Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ khoảng 75% 85%, động điện công suất trung bình lớn khoảng 85% 94% Công suất lớn động điện chiều vào khoảng 100000 kW điện áp vào khoảng vài trăm 1000V Hớng phát triển cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy công suất lớn vấn đề rộng lớn phức tạp với vốn kiến thức hạn hẹp phạm vi đề tài em đề cập nhiều vấn đề lớn mà đề cập tới vấn đề thiết kế điều chỉnh tốc độ có đảo chiều động chiều kích từ độc lập Phơng pháp đợc chọn băm xung cha phơng pháp mang lại hiệu kinh tế cao nhng đợc sử dụng rộng rãi tính đặc điểm mà ta phân tích đề cập sau 1.2 Tổng quan động điện chiều 1.2.1) Giới thiệu số loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều nh máy phát điện chiều ngời ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ứng với cách ta có loại động điện loại: - Kích thích độc lập: nguồn chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nªn : I = I - KÝch thÝch song song: ngn mét chiỊu cã c«ng st v« cïng lín điện áp ko đổi, mạch kích từ đợc mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iu +It - KÝch thÝch nèi tiÕp: cuén kÝch tõ m¾c nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có I = I =It - Kích thích hỗn hợp ta có: Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 I = Iu +It Với loại động trênlà tơng ứng với đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển ứng dụng tơng đối khác phụ thuộc vào nhiều nhân tố, đề tài ta xét đên động điện chiều kích từ độc lập biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động 1.2.2 Động điện kích thích độc lập *Phơng trình đặc tính cơ: phơng trình biểu thị mối quan hệ tốc độ (n) mômen (M) động có dạng chung: Ru  R f U  u  M K ( K ) Thông qua phơng trình này, ta thấy đợc phụ thuộc tốc độ động vào mômen động thông số khác (mômen, từ thông ), từ đa phơng án để điều chỉnh động (tốc độ) với phơng án tối u Với điều kiện U = const, It = const từ thông động hầu nh không đổi, quan hệ tuyến tính đờng đặc tính động đờng thẳng Thờng dạng đặc tính đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không tải động M Ngời ta đa thêm đại lợng để đánh giá độ cứng Đặc tính dốc cứng ( lớn) tức mômen biến đổi nhiều nhng tốc độ biến đổi ngợc lại Đặc tính dốc mềm tức mômen biến đổi nhng tèc ®é biÕn ®ỉi nhiỊu thay ®ỉi ω ω o ω t Mt Mn m M §å án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Để hiểu đợc nguyên lý lựa chọn phơng pháp điều chỉnh tối u, trớc hết ta xét đặc tính động điện Đó quan hệ tốc độ quay với mômen (hoặc dòng điện) động Đặc tính tự nhiên động cơ, động vận hành chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức không nối thêm đIện kháng, điện trở vào động cơ) Trên đặc tính tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm, đm Đặc tính nhân tạo động đặc tính ta thay đổi tham số nguồn hoạc nối thêm đIện trở, điện kháng Để so sánh đặc tính với nhau, ngời ta đa khái niệm độ M cứng đặc tính cơ: (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc) a) Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Sơ đồ kích từ độc lập đợc thể nh dới đây: Khi nguồn chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau: gọi động điện kích từ độc lập Phơng trình đặc tính xuất ph¸t: U u E u  (R u  R f )I u + U u : điện áp phần ứng + E u : sức điện động phần ứng (V) Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 + R u điện trở mạch phÇn øng, thĨ: R u ru  rct  ri rcf + ru : điện trở cuộn dây phần ứng + rcf : điện trở cuộn cực từ phơ + ri : ®iƯn trë cn bï + rct : ®iƯn trë tiÕp xóc cđa chỉi ®iƯn + R f : điện trử phụ mạch phần ứng + I u : dòng điện mạch phần ứng + Eu : đợc xác định Theo biểu thức pN Eu 2a + p: số đôi cực từ + N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng + : từ thông kÝch tõ díi mét cùc tõ + : tèc ®é gãc, rad/s Víi: K pN :hƯ sè cÊu t¹o cđa ®éng c¬ 2a E u K e n  2n / 60 n / 9,55  Eu  Ke    pN n 60a K 0,105K 9,55 Uu R u  R f  Iu K K (*) BiÓu thức (*) phơng trình đặc tính điện động Mặt khác mômen kích từ động đợc xác định công thức: 10 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Dạng sóng hoạt động b) Các chân đầu vào GND nèi ®Êt VDC ngn mét chiỊu 15V VDD ngn 15V khối LDI VL/Res xác định mức logic, thông báo lỗi Khi tín hiệu điều et biến độ rộng xung có biên độ 5V chân đợc nối nh hình vẽ: MOD InA InB SOx RCx Đấu nối cho chân VL/Reset Chân VL/Reset có chức xoá lỗi lu trữ LDI 001 Mức logic VL/Reset phải rõ ràng, phải tránh mức từ đến 4V Mức logic an toàn đến 15V Lựa chọn chế độ hoạt động LDI 001 Khi chân nối với đất mạch điều khiển hoạt động chế độ Half-bridge Khi nối với chân Vcc, mạch hoạt động ë chÕ ®é Direct Trong chÕ ®é Half-bridge, tÝn hiƯu điều biến độ rộng xung đợc đa vào chân Trong chế độ Half-bridge, chân đợc nối với mức 5V Trạng thái Chân đợc nối đất lỗi đợc phát kênh x Nối với mạch RC có thông số nh sau để xác định thời gian chết 59 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Trong sơ đồ ta chọn R = 10k, C = 47pF Gx Đầu ®Õn cùc ®iỊu khiĨn cđa IGBT Ex Nèi víi cùc E cđa IGBT ®éng thêi còng nèi víi Rthx Cx Đo điện cực C IGBT để bảo vệ ngắn mạch tải Rthx Xác định mức điện áp báo lỗi * Vth1 điện áp ngỡng sau khoảng thời gian đáp ứng * Vth2 điện áp xác lập Rth sau 10 đến 15s 60 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm – T§H3 K46 Víi IC 2SD106A, ta chän Rth1 = Rth2 = 22k, * x kênh điều khiển, x = c) Bố trí linh kiện nối dây Dây nối từ cực điều khiển đến IGBT phải ngắn 10cm Nếu nối dây phải xoắn dây Gx, Ex, Cx lại Trong mạch phải có diot Zenner nối cực G E IGBT để tránh hiệu ứng Miller Họ IC SCALE driver có nhiều loại khác Để phù hợp với thông số yêu cầu nhiệt độ làm việc cao ë níc ta, ta chän IC 2SD106AI IC nµy có thông số cụ thể nh sau: 61 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 62 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 4.5 Thiết kế nguồn mạch điều khiển Vì nguồn điện cung cấp cho mạch lực acquy ghép lại với nhau, nên để lấy nguồn điện 15V cho mạch điều khiển, ta cần trích điện áp số acquy thích hợp 63 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 64 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 15V R2 VR R1 TL494 Ct NonInv1 NonInv2 Inv1 Inv2 PWMComp Vref Deadtime OutCtrl Ct Vcc Rt C2 Ground E2 C1 E1 Rt Rref 15V D6 R3 4.7k R5 10k 2SD106A R4 10k VDD GND SO1 VL RC1 InA InB RC2 MOD SO2 GND(dc) VDC D1 4.7V C5 C4 47pF 47pF C1 Free C1 Rth1 E1 G1 Free Free C2 Rth2 E2 G2 Free 15V Rth Rg D7 Rth E1 G1 C4 E4 Rg G4 D8 C2 R3 4.7k R5 10k 2SD106A R4 10k VDD GND SO1 VL RC1 InA InB RC2 MOD SO2 GND(dc) VDC D5 4.7V C5 C4 47pF 47pF S1 D1 Free C1 Rth1 E1 G1 Free Free C2 Rth2 E2 G2 Free S3 D3 S4 D4 Rth D9 Rg Rth E2 G2 C3 E3 Rg G3 M1 S2 D2 65 §å án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Chương MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 5.1 Sơ đồ tổng thể Sử dụng Matlab Simulink để mô Phần mềm cung cấp cho ta đầy đủ khối cần thiết mạch lực mạch điều khiển tải động chiều kích từ độc lập Sơ đồ mô sau: cauBXDC_dongcomotchieuktdl.mdl Các khối cụ thể xem trực tiếp sơ đồ, ta không mơ tả cụ thể Trình tự mơ phỏng: chạy M-file nhapthongsoBXDC.m chạy sơ đồ cauBXDC_dongcomotchieuktdl.mdl, kích đúp lên scope Ud_Id scope để quan sát trực tiếp ud, id, vận tốc dòng phần ứng Sau chạy xong sơ đồ, Commamd Window đánh lệnh >>ketquaBXDC để xem kết cụ thể số 66 §å án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 5.2 Kết mô 5.2.1 Khi  =0.95 (y=0.95) a Trên Command Window >> ketquaBXDC ================================================ * DO AN DIEN TU CONG SUAT * Nhom Lop TDH3-K46 ================================================ Ket qua mo phong Cau BXDC dao chieu dieu chinh toc dong co mot chieu kich tu doc lap Bam xung voi tan so f = kHz , tx/T = y = 0.9500 Dien ap trung binh Ud (V) Ud = 540 Dong tai trung binh Id (A) Id = 0.0044 Toc dong co (vong/phut) w = 1.2061e+003 b Trờn cỏc scope 67 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 68 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm – T§H3 K46 5.2.2 Khi  = 0.53 (y=0.53) a Trên Command Window >> ketquaBXDC ================================================ * DO AN DIEN TU CONG SUAT * Nhom Lop TDH3-K46 ================================================ Ket qua mo phong Cau BXDC dao chieu dieu chinh toc dong co mot chieu kich tu doc lap Bam xung voi tan so f = kHz , tx/T = y = 0.5300 Dien ap trung binh Ud (V) Ud = 36.0000 Dong tai trung binh Id (A) Id = -0.0109 Toc dong co (vong/phut) w = 677.2410 b Trờn cỏc scope 69 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 70 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 5.3 Nhận xét kết mô - Ứng với lần mô =0.95 =0.53 ta thấy Ud (=0.95) = 15 Ud (=0.53), thõa mãn yêu cầu đề Như ta thây đổi  = 0.53→0.95 Ud có dải thay đổi 1:15 - Biểu đồ dạng dòng áp thu từ scope hồn tồn phù hợp với mơ tả phần mạch lực 5.4 Phụ lục Các Scripts (M-file) sử dụng chương trình mơ 5.4.1 M-file nhapthongsoBXDC.m M-file để nhập thơng số cho tồn sơ đồ mơ phỏng, muốn mô với thông số khác ta thay đổi thông %nhapthongsoBXDC.m U=600;%dien ap nguon(V) f=2000;%tan so bam xung Hz T=1/f; y=0.53;%y=tx/T lay y=0.95 hoac 0.53 %thong so cua dong co R=0.6;%dien tro phan ung Ohms L=0.012;%dien cam phan ung Henry Rkt=240;%dien tro phan cam Ohms L=120;%dien cam phan cam Henry Lm=1.8;%dien cam ho cam Henry Jqt=0.1;%momen quan tinh dong co(N.m) v0=60;%toc ban dau (rad/s) %co v0 de rut ngan thoi gian mo phong ta khong quan tam qua trinh qua Ukt=165%dien ap kich tu V Mt=0;%mo men tai N.m 5.4.2 M-file ketqua.m M-file dùng để xem kết mô Command Window %ketqua.m disp('================================================ ') disp('* DO AN DIEN TU CONG SUAT * Nhom Lop TDH3-K46 ') disp('================================================ ') disp(' Ket qua mo phong Cau BXDC dao chieu ') disp('dieu chinh toc dong co mot chieu kich tu doc lap') disp(' ') disp(' Bam xung voi tan so f = kHz , tx/T ='),y 71 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 disp(' Dien ap trung binh Ud (V)') Ud=U*(2*y-1) disp(' Dong tai trung binh Id (A) ') E=Ud-Iu*R;%suat dien dong phan ung Id=(Ud-E)/R disp(' Toc dong co (vong/phut)') w = tocdo*60/(2*pi) 72 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Ti liu tham kho Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà – Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, Máy điện - Nhà xuất Khoa học kĩ thuật (2003) Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện - Nhà xuất Khoa học kĩ thuật (2003) Trần Trọng Minh Giáo trình Điện tử cơng suất - Nhà xuất Giáo dục (2003 ) Ned Nohan - Tore M.Undeland – William P.Robbins Power electronics – NXB McGraw Hill Truyền động điện - Nhà xuất ĐHQG Tp HCM (2003) Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất http://www.igbt-driver.com/ http://onsemi.com/ 73 ... động hầu nh không đổi, quan hệ tuyến tính đờng đặc tính động đờng thẳng Thờng dạng đặc tính đờng thẳng mà giao điểm với trục tung ứng với mômen ngắn mạch giao điểm với trục tung ứng với tốc độ không... khiển 2.3.3 Chọn van bán dn Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Chơng Chơng Chơng Thiết kế mạch lực 3.1 Tính toán chn van 3.1.1 Chọn Diode cơng suất 3.1.2 Chọn c¸c van b¸n dn Thiết kế... thích động điện chiều điều khiển mômen điện từ động điện M KI u Do mạch kích từ động điện chiều phi tuyến hệ điều chỉnh từ thông phi tuyến 14 Đồ án điện tử công suất Lê Ngọc Tâm TĐH3 K46 Từ sơ