Đồ án Công nghệ tự động: Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

Chia sẻ: Luu Van Duong | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

236
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều trình bày nội dung với kết cấu 4 chương: Kiến thức tổng quát; nghiên cứu thiết kế tính toán mạch lực; tính toán thiết kế mạch điều khiển; mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án Công nghệ tự động: Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều

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
LƠI M ̀ Ở ĐÂU ̀ Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông 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 môt chiêu co đao chiêu đê ̣ ̀ ́ ̉ ̀ ̉ điêu chinh đông c ̀ ̉ ̣ ơ môt chiêu kich t ̣ ̀ ́ ừ đôc lâp̣ . 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 không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của chúng em được 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 từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. b. Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều c. Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác Nắp máy Cơ cấu chổi than. B, Phần quay (rotor) Gồm các bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào b. Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm bằng 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 cách điện 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 điện xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp 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 làm bằng thép Cacbon tốt. C, Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: b n F®t I + a I A c F ®t d 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 có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng 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.đ xác 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 còn gọi 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 rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ. + - U- I E KT IKT UKT + - Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 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 mức với 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 hay nối 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 được tính như sau lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng. 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. Trường hợp Rf= 0: U= E + Iư.Rư (1) Trong đó; E= Ke. .n (2) Ke = : hệ số sức điện động của động cơ a: số mạch nhánh song song của cuộn dây K= : hệ số cấu tạo của động cơ : tốc độ góc tính bằng rad/s p: số đôi cực chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. Thế (2) vào (1) ta có: = (3) Hoặc: n= (4) Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(I ư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện. Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ.
Suy ra: n= là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Hoặc: = = Trong đó: 0 : tốc độ không tải lý tưởng : độ sụt tốc độ Từ phương trình đặc tính cơ: = ta nhận thấy muốn thay đổi tốc độ ta có thể thay đổi , Rf , U. Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):Độ cứng đặc tính cơ: = giảm. Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng 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
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 trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n 0 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 trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư=U/Rư. Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8. Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải thực hiện các biện pháp khống 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 Rf trên mạch phần ứng. Ta có: Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có 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 được tốc 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 đổi Phương pháp này cho phép điêu chỉnh tốc độ cả tên và dưới định mức. Tuy nhiên do cách 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 là hằng số nên tốc độ n giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ. 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..Iư) Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn có thể đến 1:25. Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập. 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 U s tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. Hình 7: Sơ đồ tổng quát và dạng điện áp đầu ra Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ .Us (γ=t1/T). Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất một cách có chu kỳ để điều 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 khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện 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 pnp giữa emiter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là nn như ở MOSFET. Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor pnp 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 npn 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 của IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor pnp. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor. Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũytrong (tương đươngvới bazo của cấu trúc pnp) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này xuất hiện vùng dòng điện 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 khiển vào 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 trị ngưỡn Uge( 3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colectoemite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trong thời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Uge xác 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 giai đoạn T1 và T2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữ nguyên Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong 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 áp Uce bắt đầu giảm.IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong
vùng thuần trở của colecto dẫn đến điện trở colectoemite 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 và emito 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 toàn IGBT 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 lực a.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: S và S được kích dẫn, S và S được kích tắt, động cơ được nối 1 2 3 4 với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị I . max +Trong khoảng 2:S và S được kích tắt,S và S được kích dẫn,nhưng do tải có tính 1 2 3 4 cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D và D về nguồn, S và S bị đạt 3 4 3 4 điện áp ngược bởi hai diode D và D nên khoá, dòng i giảm từ I về 0 3 4 d max +Trong khoảng 3:S và S được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng i tăng 3 4 d theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về I theo chiểu dương). min +Trong khoảng 4: S và S được kích tắt, S và S được kích dẫn, nhưng do trước đó 3 4 1 2 dòng i chạy theo chiều ngược lại nên dòng i tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch d d qua các diode D và D về nguồn; S và S bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D và 1 2 1 2 1 D phân cực thuận nên khoá, do đó i giảm theo chiều ngược lại từ I về 0. 2 d min
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 1và thứ 2) tương ứng với cặp van S1,S2 làm việc ,S3 luôn bị khoá ,S4 được đóng mở ngược pha với S1. Bộ BXMC có 3 trạng thái làm việc : Trạng thái 1: E>E : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp t cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0 t . 1
+Trong khoảng t T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo 1 chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4. Trạng thái 2: E E :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ và Đ 0 t 1 2 (I =I =I ) Đ1 Đ2 t +Trong khoảng t t : E>E : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ 0 1 t nguồn qua S , S cấp cho động cơ 1 2 +Trong khoảng t t : S khóa ,S mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp 1 2 1 4 cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ ,Đ 2 4 +Trong khoảng t T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động 2 động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S ,Đ 4 2 Để động cơ làm việc theo chiều ngược lại ,luật điều khiển các van sẽ thay đổi theo chiều ngược lại. Trong trường hợp này, van và S dẫn ngược nhau, van luôn dẫn, van 2 luôn khóa. Các biểu thức tính toán: + Giá trị dòng trung bình qua tải Ta có L. + R.it + E = U Do đó . + + .dt = .dt R.It + E = γ U
=> It = + Dòng trung bình qua van Is = Với a1 = b1 = Rút gọn ta có Is = γIt +Dòng trung bình qua Diot ID = 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 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Thiết kế mạch lực Sơ đồ mạch lực như sau: Chức năng từng phần tử trong mạch: Nguồn V: điện áp một chiều cung cấp cho động cơ.