Đồ án thiết kế môn học điện tử công suất

Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của đông cơ điện 1 chiều có điện áp 220V một chiều có công suất P= 5KW.Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của đông cơ điện 1 chiều có điện áp 220V một chiều có công suất P= 5KW

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

HỌ TÊN SV: ĐỖ TRUNG PHONG LỚP: ĐTĐ53-ĐH2.MSV: 45909 Tên đề tài: Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của đông cơ điện 1 chiều có điện áp220V một chiều có công suất P= 5KW

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU

1.1 Khái niệm về bộ băm áp

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Yêu cầu điều khiển

3.2 Mạch điều khiển

Giảng viên hướng dẫn Hải Phòng ngày tháng năm Người lập đề cương

Xuất phát từ yêu cầu thực tế chúng em được giao đồ án thiết kế môn họcđiện tử công suất với đề tài: Thiết kế bộ băm áp một chiều tải là động cơ điệnmột chiều có điện áp phần ứng là 220V, công suất động cơ là 5KW.

Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy

cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy Đặng Hồng Hải đã trực tiếp giúp đỡ chúng

em hoàn thành đồ án này

Lần đầu làm đồ án điện tử công suất em chưa có kinh nghiệm nên khôngtránh khỏi những thiếu sót, mong các thầy giúp đỡ, hưỡng dẫn, chỉ bảo để kiếnthức của em về bản đồ án được hoàn thiện hơn Cuối cùng em xin chân thànhcảm ơn

Chương 1

BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU

1.1 KHÁI NIỆM VỀ BĂM ÁP MỘT CHIỀU

Băm áp một chiều hay băm xung một chiều (BXMC) là những thiết bị dùng

để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định.BXMC được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo ra ổn

cho tải Rt phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng

trong giai đoạn van Tr dẫn

Trong khoảng thời gian còn lại từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr

khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L

vẫn theo chiều cũ và theo van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0

Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liên

tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốn chế

độ dòng điện là liên tục Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việc đảm

bảo chế độ làm việc này cho BXMC, cũng vì thế ta chỉ đề cập tới chế độ này

a)Sơ đồ thay thế khi Tr khóa; b)Sơ đồ thay thế khi Tr dẫn

Trong chế độ dòng điện liên tục tải có thể dạng RLEt hay RL (coi Et =0) đều vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản

Ut = E = γ.E (1.1)

Dòng qua trung bình tải : It = = (1.2)

Bằng phương pháp giải mạch có quy luật biến thiên dòng điện tải trong haigián đoạn là :

i1= – ; i2= – (1.3)

Trong đó = exp(- ), = exp( )

Còn =L/Rt là hằng số thời gian của mạch tải

Giá trị lớn nhất của dòng điện: Imax= – (1.4)

Giá trị nhỏ nhất của dòng điện: Imin= – (1.5)

Biểu thức này cho thấy độ đập mạch dòng không phụ thuộc vào tải RL hayRLEt, khi tải có sức điện động là Et ảnh hưởng đến giá trị tức thời của dòng điệnlàm giảm trị số một lượng bằng Et/Rt so với trường hợp tải RL Có thể coi gầnđúng hệ số đập mạch theo biểu thức;

Kdm= = (1.7)

Khảo sát cho thấy giá trị đập mạch dòng điện này phụ thuộc vào và đạt

cực đại khi

1.2.2 Băm xung một chiều song song

Loại băm xung này thường ứng dụng cho công suất không lớn và phải có tụlọc đầu ra tải

Quy luật điều khiển van Tr theo nguyên tắc chung: van Tr dẫn trongkhoảng (0 t0) và khóa trong khoảng (t0 T) Tuy nhiên quá trình năng lượngxảy ra khác đi như sau:

Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L và dòngđiện từ nguồn (dòng i1) chảy qua cuộn cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng.trong giai đoạn này điot D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượngcấp ra tải là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C nhất thiết phải có ở bộ BXMCsong song

+ -

D

RtC

Hình 1.4 Băm xung một chiều song song

Khi van Tr bị khóa năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải(dòng i2) Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảmnên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E Tụ C dùng để tích lũy nănglượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn

Phân tích cho thấy quy luật điện áp trên tải có dạng:

Ut= – (1.8)

Khảo sát cho thấy điện áp ra Ut có thể cao hơn nguồn E nếu như sụt áp trênnội trở của nguồn nhỏ hơn 25 so với điện áp nguồn E Điện áp tải lớn nhất cóthể đạt tới bằng :

Ut max = (1.9)

1.Tham số chọn van Tr Dòng trung bình qua van :

ITr = It ITr max= It (1.10)

Khi khóa van T chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải, suy ra :UTmax=UCmax=Utmax

2 Dòng trung bình qua cuộn cảm bằng tổng dòng trung bình qua van Tr:

Il= ITr + ID = It (1.11)

3 Tham số chọn điôt Dòng trung bình qua điôt:

ID =IL – ITr = It - It = It (1.12)

Điôt khóa khi van Tr dẫn và chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C và do

đó trị số lớn nhất tương ứng: UDngmax = Ucmax = Utmax.

4 Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ biểu thức khi coi

Giá trị I và Uc thông thường lấy dưới 20% giá trị It hoặc Ut.

1.2.3 Băm xung một chiều nối tiếp - song song

Bộ biến đổi xung áp loại này cho phép điều chỉnh điện áp ra Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điiện áp nguồn E So với sơ đồ kiểu BXMC kiểu song song ta thấy vị trí của van Tr và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau

Hoạt động của mạch này như sau:

Trong khoảng (0 t0), khi van Tr dẫn, điện cảm L được nạp năng lượng trựctiếp từ nguồn E bằng dòng i1 với quy luật tương tự BXMC song song Giai đoạnnày điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C, vì vậy ở đây cũng cần

tụ C mắc song song với tải

Trong giai đoạn còn lại: (t0 T) van Tr khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch đểduy trì dòng điện theo chiều dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tựcảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điôt D dẫn và hình thành dòng điện i2 Nănglượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạpnăng lượng trong giai đoạn này Lưu ý rằng với chiều dòng điện nạp cho tụ C là

i2 thì chiều điện áp trên tụ điện có dấu ngược lại với 2 lại BXMC đã xét, tức điện

áp Ut là âm Và như vậy BXMC kiểu nối tiếp - song song cho phép tạo điện áptải âm từ một nguồn dương

Quy luật điện áp ra tải:

U1= Itrng (1.16)

Đặc điểm của loại này là có thể điều chỉnh điện áp ra tải lớn hoặc nhỏ hơnđiện áp nguồn E

+ -

D

Rt

C L

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BĂM ÁP

1.3.1 Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM

Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f = const, điện áp ratải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van to = var Để thựchiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa nguyên ký hoạt động

- Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa Urc với diện áp điều khiển

Udk, điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm to Do đó khi điện áp điềukhiển thay đổi sẽ làm thay đổi to và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ.Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Trdẫn

- Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra nhờ khâu sosánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với van lực theo tính chất điềukhiển của van lực

- Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ

phát xung

điều chỉnh tự động

hạn chế γmin ÷ γmax

Van lực

U đk chỉnh T

U cđ

U ph

tn tp

Ufx

t

T Uđk Urc

1.3.2 Điều khiển theo phương pháp xung – tần

Phương pháp này ngược với kiểu PWM, cần phải thay đổi được tần số bămxung trong khi khoảng dẫn của van lực Tr được giữ không đổi Vì thế cấu trúcđiều khiển gồm các khâu sau đây (hình 1.6):

1 Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự mạch trước

2 Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần số tỉ lệ thuận với điện

áp vào là điện áp điều khiển

3 Khâu tạo khoảng dẫn không đổi cho van lực Tr, tức là to = const, với tần

số do bộ biến đổi U/f quyết định

4 Khâu khuếch đại công suất

Điều chỉnh

tự động

Hạn chếfmin ÷ fmax

Biến đổi

U → f

Tạo độ rộng xung to

Khuếch đại công suất

Chương 2

THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT

Yêu cầu cơ bản của một một bộ băm xung một chiều:

- Chế độ dòng điện tải là chế độ dòng liên tục, vì vậy trong tính toán thiết

kế cũng dựa trên chế việc đảm bảo chế độ làm việc này cho băm xungmột chiều

- Điện áp ra có thể thay đổi được do yêu cầu của bài toán đề ra điện áp vàophải ổn định

- Bộ băm xung phải làm việc ổn định và có công suất phù hợp với côngsuất của tải

- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

- Đảm bảo các van đóng, mở an toàn tức là nhóm van này khóa chắc chắnthì nhóm van còn lại mới được mở

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Các phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ điện một chiều:

- Thay đổi điện trở phụ

- Thay đổi từ thông

- Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng

Trong các phương pháp trên ta thấy phương pháp thay đổi điện áp dặt vàophần ứng là khả thi và tin cậy bởi vì dễ điều chỉnh và có đặc tính cơ cứng Vớitrình độ kỹ thuật bán dẫn ngày nay thì phương pháp này dễ dàng thực hiện vàđạt hiệu quả cao

2.2.1 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung chủ yếu của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T từ đódẫn tới giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

Utải = = ε.Us trong đó: ε = là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chukỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh Ura là rộng (0 < ε ≤ 1)

b Phương pháp xung – tần

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const Khi đó:

Utải = Us = t1.f.Us Vậy Ura = Us khi f = và Ura = 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên tức là vừa thay đổi độrộng xung vừa thay đổi tần số

Trong thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biếnhơn vì đơn giản hơn và không cần thiết bị biến tần đi kèm

2.2.2 Chọn mạch lực

a) BXMC nối tiếp

Trong khoảng thời gian còn lại từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Trkhóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua Lvẫn theo chiều cũ và theo van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0.

Loại băm xung này còn được gọi là băm xung giảm áp Có nghĩa là điện ápđầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào

b) BXMC song song

+ -

D

RtC

Khi van S bị khóa năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải(dòng i2) Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước trong điện cảmnên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E Tụ C dùng để tích lũy nănglượng và cấp cho Rt trong giai đoạn van Tr dẫn.

Vì vậy bộ băm xung này còn được gọi là bộ băm xung tăng áp

c) BXMC nối tiếp – song song

+ -

D

Rt

C L

rngE

Bộ biến đổi xung áp loại này cho phép điều chỉnh điện áp ra Ut lớn hơnhoặc nhỏ hơn điiện áp nguồn E So với sơ đồ kiểu BXMC kiểu song song ta thấy

vị trí của van S và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau

Trong khoảng (0 t0), khi van S dẫn, điện cảm L được nạp năng lượng trựctiếp từ nguồn E bằng dòng i1 với qui luật tương tự BXMC song song.Giai đoạnnày điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C, vì vậy ở đây cũng cần

tụ C mắc song song với tải

Trong giai đoạn còn lại: (t0 T) van S khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch đểduy trì dòng điện theo chiều dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tựcảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để điôt D dẫn và hình thành dòng điện i2 Nănglượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạpnăng lượng trong giai đoạn này

d) Lựa chọn mạch lực

Với yêu cầu đề bài là “Thiết kế bộ băm áp một chiều tải của động cơ điện

một chiều có điện áp phần ứng là 220V một chiều có công suất là 5KW”

Từ các bộ băm xung một chiều đã nêu ra ở trên ta thấy bộ BXMC nối tiếp

có cấu tạo đơn giản nhất mạch lực chỉ gồm có van điều khiển S điốt D và cuộncảm L Vì thế việc thiết kế cũng như chế tạo là đơn giản hơn cả, mà vẫn đáp ứngđầy đủ yêu cầu của một bộ băm xung và yêu cầu của bài toán

2.3 TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

Thông số thiết kế bộ BXMC: Công suất P = 5 KW

Điện áp phần ứng = 220 V

Dòng điện tải = 22.72 A

Phạm vi điều chỉnh = (0.5 – 0.9)

Tần số băm xung f = 500 HZTheo mạch BXMC nối tiếp ta có:

= E ⇒ E = = (V)

Điện áp nhỏ nhất trên tải min = E min = 244 0,5 = 122 ( V )

Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xáccác trị số trung bình dòng qua van S và điốt sẽ cho các biểu thức phức tạp vàcũng không thuận tiện trong tính toán và cũng trong thực tế Vì vậy thường dùngphương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điện tuyến tính nên lúc đó ta có:

ta tính được dòng qua van và điốt là:

Dòng trung bình qua van S lớn nhất là:

= It = 0,9.22,72 = 20,45 (A)

Dòng trung bình qua điốt lớn nhất là:

IDmax = (1- ).It = (1- 0,5) 22.72 = 11,36 (A)

Điện áp lớn nhất mà van S chịu bằng điện áp nguồn E, điện áp ngược lớnnhất qua điốt cũng bằng điện áp nguồn E = 244 V

Điện cảm để đảm bảo chế độ dòng liên tục ở chế độ dòng liên tục là:

+IGBT là phần tử kết hợp giữa khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET

và khả năng chịu quá tải lớn của Bipolar Transistor, tần số băm điện áp cao làmcho động cơ chạy êm hơn

+ Công suất điểu khiển yêu cầu cực nhỏ nên làm cho đơn giản đáng kểthiết kế của các bộ phận biến đổi và làm cho kích thước hệ thống điều khiểnnhỏ, hơn nữa nó cũng làm cho tiết kiệm năng lượng điều khiển.

+ IGBT là phần tử đóng cắt với dòng áp lớn, nó đang dần thay thếTransistor BJT và ngày càng thông dụng hơn Do đó việc mua thiết bị cũng đơngiản hơn Cùng với sự phát triển của IGBT thì các IC chuyên dụng dùng để điềukhiển chúng (IGBT Driver) ngày càng phát triển và hoàn thiện do đó việc điềukhiển cũng chuẩn xác và việc thiết kế các mạch điều khiển cũng đơn giản và gọnnhẹ hơn

Dựa vào các thông số đã tính ở mục 2.3 ta chọn van:

Van IGBT ;W75N60T có các thông số như sau :

Hinh2.4 Sơ đồ van

2.5 BẢO VỆ VAN

Cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng đã định với từng phần tử như điện áp ngược lớn nhất, giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện, nhiệt độ lớn nhất đối với thiết bị, thời gian khóa, thời gian mở…

a Bảo vệ quá dòng điện

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao,

từ 2 đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể pháhủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị Sự cố thường xảy ranhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạohoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm.Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đếncông suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặtkhác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấnđến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánhthủng phần tử Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằngnhững xung ngắn theo quy luật như cũ, cũng không đơn giản là ngắt xung điềukhiển để dập tắt dòng điện được.

Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụngcác mạch dập RC, mắc song song với các phần tử Tuy nhiên các mạch dập cóthể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu đượcđưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm khiphát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép

Để van dẫn làm việc an toàn dòng điện làm việc của van không vượt qua trị số cho phép, có thể làm mát vỏ van bán dẫn, gắn van bán dẫn lên cánh tản nhiệt, làm mát cưỡng bức bằng quạt, bằng nước

b Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn

Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất noi riêng, rất nhạy cảmvới sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn

mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là:

 Điện áp đặt vào van lớn quá thong số của van

 Xung điện áp do chuyển mạch van

 Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là

do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây

 Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải

Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, chúng ta cầnchọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược