ĐỒ án CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU CHẾ ĐIỆN áp DC,AC DÙNG GIẢI THUẬT SÓNG MANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU CHẾ ĐIỆN ÁP DC/AC DÙNG GIẢI THUẬT SĨNG MANG GVHD: Th.s Nguyễn Phú Cơng SVTH: Trần Ngơ Chí Vĩ MSSV: 2032180083 LỚP : 09DHTDH3 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU CHẾ ĐIỆN ÁP DC/AC DÙNG GIẢI THUẬT SÓNG MANG GVHD: Th.s Nguyễn Phú Cơng SVTH: Trần Ngơ Chí Vĩ MSSV: 2032180083 LỚP : 09DHTDH3 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo Viên Hướng Dẫn LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm nghiên cứu, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cô bạn bè Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Phú Công giảng viên Khoa CN Điện – Điện Tử - Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn em suốt trình thực Với quan tâm, dạy dỗ, bảo tận tình chu đáo thầy cơ, đến em hồn thành đề tài đồ án Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn tập thể giảng viên Khoa CN Điện – Điện Tử trường hỗ trợ, cung cấp cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế sinh viên, đồ án tránh thiếu sót Em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức mình, phục vụ tốt công tác thực tế sau Em xin chân thành cảm ơn chúc thầy cô dồi sức khỏe gặt hái nhiều thành công sống MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .v Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài .1 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: .1 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu IGBT 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IGBT 2.3 Đặc tính đóng cắt: 2.4 Vùng làm việc an toàn (SOA) 2.5 Yêu cầu đóng cắt với IGBT: 2.6 Vấn đề bảo vệ IGBT .9 2.7 Phần mềm Matlab 10 2.7.1 Giới thiệu Matlab 10 2.7.2 Tổng quan cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng 11 Chương ĐỘNG CƠ MỘT PHA 13 3.1 Giới thiệu động AC 13 3.2 Động AC pha 14 3.3 Động cặp cực 15 Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ÁP PHA .18 4.1 Khái niệm 18 4.2 Các loại van bán dẫn thường dung .19 4.3 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 19 4.4 Thực gắn động vào hệ thống 23 4.4.1 Trường hợp động không tải 23 4.4.2 Trường hợp động hoạt động có tải cố định .24 Chương THIẾT KẾ MẠCH DEAD TIME 25 5.1 Thiết kế mô proteus .26 5.2 Nguyên lý làm việc mạch 26 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Hình ảnh IGBT Hình 2.2 Cấu trúc IGBT điển hình Hình 2.3 Mạch tương đương IGBT Hình 2.4 Ký hiệu IGBT Hình 2.5 Đặc trưng tĩnh IGBT Hình 2.6 Sơ đồ thử nghiệm khóa IGBT Hình 2.7 Quá trình mở IGBT Hình 2.8 Q trình khóa IGBT Hình 2.9 Vùng làm việc an tồn (SOA) Hình 2.10 Mạch điều khiển cho IGBT Hình 2.11 Ảnh hưởng điện áp âm khóa Hình 2.12 Ảnh hưởng điện trở đầu vào mạch điều khiển Hình 2.13 Giao diện matlab bắt đầu .11 YHình 3.1 Cấu tạo động AC 14 Hình 3.2 Các thành phần động 15 Hình 3.3 Stato roto động .15 Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo động AC hai cặp cực 16 Hình 3.5 Góc lệch pha hai tín hiệu 16 Hình 3.6 Hoạt động động AC cặp cực 17 Hình 3.7 Sơ đồ khởi động cuộn lệch pha .17 Hình 3.8 Sơ đồ khởi động cuộn tụ đề 18 YHình 4.1 Mơ biến đổi DC/AC 20 Hình 4.2 Sóng mang sóng sin scope 20 Hình 4.3 Tín hiệu đóng cắt IGBT IGBT2 21 Hình 4.4 Điện áp ngõ thu 21 Hình 4.5 Chất lượng điện áp đầu 22 Hình 4.6 Đánh giá điện áp ngõ thay đổi biên độ sóng sin 23 Hình 4.7 Động không tải 24 Hình Tốc độ moment dịng điện động khơng gắn tải .24 Hình 4.9 Động gắn tải 25 Hình 4.10 Tốc độ moment dịng điện động gắn tải 25 YHình 5.1 Mô mạch deadtime proteus .26 Hình 5.2 Thời gian trễ hai sóng sau xử lý qua mạch deadtime 27 Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa 1.2 Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống phân tán DC/AC - Tìm hiểu cách thức hoạt động hệ thống phân tán DC/AC - Tìm hiểu linh kiện sử dụng hệ thống - Tiến hình xây dựng mơ hình mơ matlab - Thay số liệu vào kiểm tra mơ hình 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống phân tán DC/AC - Phần mềm sử dụng: Matlab  Phạm vi nghiên cứu: phòng thực hành nhà 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Các nghịch lưu thiết bị biến đổi có khả chuyển đổi nguồn chiều thành xoay chiều Nó có nhiều hình dạng, giá cả, cơng suất hiệu suất khác Các nghịch lưu sử dụng cho thiết bị ô tô, kho cắm trại, thuyền hay cơng trình xây dựng chưa cung cấp điện lưới Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu IGBT IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly linh kiện bán dẫn công suất ba cực phát minh Hans W Beck Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả đóng cắt nhanh của MOSFET và khả chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT phần tử điều khiển điện áp, cơng suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ Hình Hình ảnh IGBT 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IGBT Về cấu trúc bán dẫn, IGBT giống với MOSFET, điểm khác 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 khơng phải n-n MOSFET Vì coi IGBT tương đương với transistor p-n-p với dòng base được điều khiển MOSFET  Cấu trúc IGBT điển hình: - Kiểu char ví dụ “Hello” - Kiểu cell - Kiểu Structure Trong Matlab kiểu liệu double kiểu mặc định sử dụng phép tính số học  Ứng dụng Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho: - Các khoá học toán học - Các kỹ sư, nhà nghiên cứu khoa học - Dùng Matlab để tính tốn, nghiên cứu tạo sản phẩm tốt sản xuất  Toolbox công cụ quan trọng Matlab Công cụ Matlab cung cấp cho phép bạn ứng dụng kỹ thuật để phân tích, thiết kế, mơ mơ hình Ta tìm thấy toolbox mô trường làm việc của: - Mạng nơron - Logic mờ - Simulink  Hệ thống Matlab Hệ thống giao diện Matlab chia thành phần: - Môi trường phát triển Đây nơi đặt công cụ, phương tiện giúp sử dụng lệnh file, ta liệt kê số sau: + Desktop + Command Window + Command History + Browsers for viewinghelp - Thư viện, hàm tốn học bao gồm cấu trúc tính tổng, sin cosin atan, atan2 etc , phép tính đơn giản đến phép tính phức tạp tính ma trận nghịch đảo, trị riêng, chuyển đổi fourier, laplace, symbolic library - Ngơn ngữ Matlab Đó ngơn ngữ cao ma trận mảng, với dòng lệnh, hàm, cấu trúc liệu vào, lập trình hướng đối tượng - Đồ hoạ Matlab Bao gồm câu lệnh thể đồ họa mơi trường 2D 3D, tạo hình ảnh chuyển động, cung cấp giao diện tương tác người sử dụng máy tính - Giao tiếp với ngôn ngữ khác Matlab cho phép tương tác với ngôn ngữ khác C, Fortran … Chương ĐỘNG CƠ MỘT PHA 3.1 Giới thiệu động AC Động điện khơng lồng rotor lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất loại rotor lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm số lượng lớn loại động cơng suất nhỏ trung bình Nhược điểm động ñiều chỉnh tốc ñộ khó khăn dịng điện khởi động lớn thường 6-7 lần dòng điện định mức để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo động không đồng rotor lồng sóc nhiều tốc độ dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dịng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên Động điện khơng đồng rotor dây quấn điều chỉnh tốc tốc ñộ chừng mực định, tạo mơmen khởi động lớn mà dịng khởi động khơng lớn lắm, chế tạo có khó so với với loại rotor lồng sóc, giá thành cao hơn, bảo quản khó Động điện khơng đồng sản xuất theo kiểu bảo vệ IP23 kiểu kín IP44 Những động điện theo cấp bảo vệ IP23 dùng quạt gió hướng tâm đặt hai đầu rotor động điện Trong động rotor lồng sóc đúc nhơm cánh quạt nhơm đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch Loại động điện theo cấp bảo vệ IP44 thường nhờ vào cánh quạt đặt vỏ máy để thổi gió mặt ngồi vỏ máy, tản nhiệt có với loại IP23 bảo dưỡng máy dễ dàng Hiện nước sản xuất động điện không đồng theo dãy tiêu chuẩn Dãy động không đồng công suất từ 0,55-90 KW ký hiệu K theo tiêu chuẩn Việt Nam Theo tiêu chuẩn này, động điện không đồng dãy điều chế tạo theo kiểu IP44 Ngồi tiêu chuẩn cịn có tiêu chuẩn quy định dãy công suất động điện không đồng rotor lồng sóc từ 110kW - 1000kW, gồm có cơng suất sau: 110,160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 1000 kW Ký hiệu động điện khơng đồng rotor lồng sóc ghi theo ký hiệu tên gọi dãy động điện, ký hiệu chiều cao tâm trục quay, ký hiệu kích thước lắp đặt dọ trục ký hiệu số trục 3.2 Động AC pha Các thành phần động AC Hình Cấu tạo động AC Hình Các thành phần động - Stator động AC: Bao gồm mạch từ làm thép kỹ thuật, mạch từ có cuộn dây quấn cách ñiện với mạch từ, bên lớp vỏ bảo vệ - Rotor động AC: Gồm nhiều thép kỹ thuật bên có mốc rãnh để gắn đoạn dây đồng hay nhôm để tạo vịng ngắn mạch Hình Stato roto động 3.3 Động cặp cực Sơ đồ cấu tạo: Hình Sơ đồ cấu tạo động AC hai cặp cực Góc pha tín hiệu 90o: Hình Góc lệch pha hai tín hiệu Giải thích nguyên tắc hoạt động động AC pha, cặp cực Các vị trí tạo từ trường quay động tương ứng nguồn cung cấp sau: Hình Hoạt động động AC cặp cực Động AC khởi động cuộn lệch pha: Hình Sơ đồ khởi động cuộn lệch pha Dùng máy giặt, bơm nước, máy hút bụi … Tạo lệch pha cuộn khởi động từ cuộn (giai đoạn đầu, chạy pha, cặp cực) Sau chạy đến 70% tốc độ định mức, khóa ngắn mạch cuộn tạo lệch pha chạy với cuộn (chạy pha, cặp cực) Động AC sử dụng tụ đề: Hình Sơ đồ khởi động cuộn tụ đề Dùng tủ lạnh, máy nén khí, điều hịa nhiệt độ v…v Tụ đề tạo lệch pha cuộn khởi động cuộn (khoảng 30o) Sau chạy đến 70% tốc độ định mức, khóa ngắt cuộn khởi động khỏi mạch Các kiểu khởi động động cơ: - Dùng tụ đề - Dùng tụ chạy - Dùng hai tụ đề - chạy Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ÁP PHA 4.1 Khái niệm Nghịch lưu áp pha thiết bị để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi  Phân loại: - Nghịch lưu nguồn áp: cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất điện áp lưới - Nghịch lưu dòng điện: cho phép nguồn dòng chiều thành nguồn dòng xoay chiều - Nghịch lưu độc lập cộng hưởng: có đặc điểm hoạt động ln hình thành mạch vịng dao động cộng hưởng RLC Tải nghịch lưu độc lập thiết bị xoay chiều pha ba pha chế tạo thành hai dạng: nghịch lưu độc lập pha nghich lưu độc lập ba pha 4.2 Các loại van bán dẫn thường dung - Nghịch lưu động lập nguồn áp: van điều khiển hoàn toàn transitor BT, MOSFEET, IGBT hay GTO - Nghịch lưu độc lập nguồn dòng: van bán điều khiển thyristor 4.3 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt với xuất phát ban đầu từ trung bình hóa phần tử đóng cắt (switch averaging) cách làm từ đầu muốn mô hình hóa mạch điện tử cơng suất Ngày phương pháp lại gây quan tâm mơ hình thu gần với mơ hình vật lý, mơ tả phần tử gây tổn thất điện trở dẫn dòng van, sụt áp van, số mạch điện kí sinh (ví dụ mơ hình tụ điện tần số cao mạch RLC) Phương pháp dùng cho sơ đồ cộng hưởng, cho sơ đồ pha, ba pha, loại biến đổi DC/DC, DC/AC, AC/DC Tùy theo điện áp hay dịng điện coi biến độc lập( ví dụ điện áp nguồn vào, đầu vào điều khiển, điện áp tải), biến mô tả nguồn áp hay nguồn dịng độc lập Vì phương pháp trung bình mạch đóng cắt phù hợp cho mục đích mơ hình hóa Phương pháp trung bình hóa dựa sở đại lượng cần quan tâm điều khiển hay thay đổi với tần số thấp nhiều so với tần số đóng cắt sơ đồ Khi qua độ đập mạch điện áp hay dòng điện cần quan tâm đến giá trị trung bình chúng chu kì đóng cắt T Mô tả biến đổi DC/AC với thông số U=400VDC, sóng sin có biên độ 0,5 tần số 50Hz sau: Hình Mơ biến đổi DC/AC  Kết mô Giá trị đầu sóng mang S = [ 0] so sánh với sóng sin có biên độ 0.5 tần số 50Hz cho tín hiệu đóng cắt dùng để điều khiển hai IGBT hai IGBT khơng thể có trạng thái hoạt động giống nghĩa tín hiệu cấp vào IGBT1 mức tín hiệu cấp vào IGBT2 phải mức ( Tránh trường hợp bị ngắn mạch) Hình Sóng mang sóng sin scope Hình Tín hiệu đóng cắt IGBT IGBT2 Hình Điện áp ngõ thu  Đánh giá chất lượng điện áp đầu Hình Chất lượng điện áp đầu  Điện áp thu được: 199.9V Ta có cơng thức biểu diễn mối quan hệ biên độ sóng sin điện áp điều chế hệ thống: Biên độ sóng sin = Điện áp điều chế/(2*Điện áp tối đa) Nên muốn thay đổi giá trị điện áp đầu ta thay đổi biên độ sóng sin Cụ thể sau: Ví dụ điện áp điều chế mong muốn đạt hệ thống 150V biên độ sóng sin ta phải đặt vào là: Biên độ sóng sin = 150/(2*200) = 0.375 Kết điện áp ta thu sau thay biên độ sóng sin 0.375: Hình Đánh giá điện áp ngõ thay đổi biên độ sóng sin Điện áp thu 149.9V ≈ 150V => Đúng yêu cầu 4.4 Thực gắn động vào hệ thống Chọn thông số động cơ: - Công suất: 1Hp (750W) - Điện áp dây: 400V - Điện áp pha: 231V - Tần số: 50Hz - Số cặp cực: P = Ta có điện áp điều chế có giá trị 200V nên điện áp hiệu dụng ta thu 141.1V 4.4.1 Trường hợp động khơng tải Hình Động khơng tải Đối với động khơng tải có tải ta quan sát tốc độ động cơ, dòng stato momen động Do tốc độ động rad/s để quan sát được tốc độ vịng/phút ta nhân thêm (60/2*pi) Hình Tốc độ moment dòng điện động khơng gắn tải Ta thấy tốc độ moment động ổn định vào thời điểm 0.4s, dòng điện ổn định vào thời điểm 0.3s 4.4.2 Trường hợp động hoạt động có tải cố định Hình Động gắn tải Chọn tải có giá trị ta thu kết sau: Hình Tốc độ moment dịng điện động gắn tải Ta thấy tốc độ động ổn định vào thời điểm 0.6s, moment động ổn định vào thời điểm 0.4s dòng điện ổn định vào thời điểm 0.5s Chương THIẾT KẾ MẠCH DEAD TIME 5.1 Thiết kế mơ proteus Hình Mơ mạch deadtime proteus Với R1=R2=180 Ω C1=C2=0.01uF 5.2 Nguyên lý làm việc mạch Khi điện áp điều khiển đầu nối U1:A(A) thay đổi từ mức [0] qua mức [1], điện áp ngõ cổng đảo U1:C từ mức [0] lên mức [1] làm xuất dòng nạp vào tụ C thông qua D2 Điện áp tụ C2 tăng dần xác định qua: −t VC2 = 5*(1-e R ∗C ) D Trong RD điện trở phân cực thuận diode D2 (loại 1N4148 có giá trị RD khoảng 40Ω) Khi điện áp tụ C2 tăng vượt qua ngưỡng mức logic cao tương ứng 2V làm thay đổi trạng thái ngõ U1:D Từ IGBT phía nhánh pha kích ngắt ngắt điện Thời gian từ lúc có thay đổi trạng thái điện áp điều khiển đến IGBT thay đổi trạng thái từ dẫn sang ngắt là: tON->OFF = RDC2ln( ) Đồng thời điện áp điều khiển đầu nối U1:A(A) thay đổi từ mức [0] qua mức [1], điện áp ngõ cổng đảo U1:A thay đổi từ mức [1] mức [0], điện áp tụ điện C1 xả thông qua điện trở R1 Điện áp tụ xác định thông qua: −t VC1 = 5*(1-e R ∗C ) D Do điện áp tụ giảm dần từ 5V Khi điện áp tụ C1 giảm đến ngưỡng mức logic thấp (là 0.8V), ngõ cổng đảo U1:B đổi trạng thái làm cho IGBT phía nhánh pha kích dẫn dẫn điện Thời gian từ lúc có thay đổi trạng thái điện áp điều khiển đến IGBT thay đổi trạng thái từ ngắt sang dẫn xác định thông qua: tOFF->ON = RDC1ln( ) 0.8 Giá trị thời gian chống trùng dẫn xác định thông qua tON->OFF tOFF->ON công thức: tdeadtime = tOFF->ON - tON->OFF tdeadtime = RDC1ln( 5 ) - RDC2ln( ) 0.8 Nếu chọn thời gian dead time 3µs giá trị điện dung C1= C2= 0.01uF thực lập luận tương tự điện áp điều khiển chuyển từ mức [1] qua mức [0] giá trị điện trở R1 R2 xác định là: R1 = R2 = 174(Ω) Giá trị thực thi công mạch chọn R1 = R2 = 180(Ω) Ta thu kết sau Hình Thời gian trễ hai sóng sau xử lý qua mạch deadtime ... NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU CHẾ ĐIỆN ÁP DC/AC DÙNG GIẢI THUẬT SĨNG MANG GVHD: Th.s Nguyễn Phú Cơng SVTH: Trần Ngơ Chí Vĩ MSSV: 2032180083 LỚP : 09DHTDH3 TP Hồ Chí... Hình 3.8 Sơ đồ khởi động cuộn tụ đề 18 YHình 4.1 Mơ biến đổi DC/AC 20 Hình 4.2 Sóng mang sóng sin scope 20 Hình 4.3 Tín hiệu đóng cắt IGBT IGBT2 21 Hình 4.4 Điện áp ngõ... trưng tĩnh IGBT: Hình Đặc trưng tĩnh IGBT    Dưới tác dụng áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển phía collector vượt qua