THIẾT kế bộ băm XUNG áp một CHIỀU nối TIẾP cấp CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG cơ một CHIỀU KÍCH từ độc lập

Chương 1:Đã tìm hiểu được cấu tạo của động cơ một chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ.Tìm hiểu về băm xung áp 1 chiều, phương pháp điều khiểnTìm hiểu cấu tạo chức năng của van mosfetChương 2:Chọn được sơ đồ mạch lực băm xung áp 1 chiều nối tiếpTìm hiểu và tính toán được mạch bảo vệTính toán thông số động cơChọn van bán dẫn theo yêu cầu đề bàiChương 3:Tìm hiểu được chức năng của từng khâu trong mạch điều khiển.Tính toán được các khâu trong mạch điều khiển, đưa ra đồ thị của từng khâu.Chương 4:Mô phỏng kiểm chứng được từng khâu, đưa ra đồ thị đúng với chương 3. Phương hướng phát triển: Trong phạm vi đồ án này mới chỉ thực hiện điều khiển vòng hở, hoàn toàn không có tín hiệu phản hồi mà chỉ có tín hiệu đặt, khâu tạo điện áp điều khiển không phức tạp. Phương hướng phát triển tiếp theo có thể là thiết kế và thực hiện hệ thống điều khiển vòng kín có các tín hiệu phản hồi và mức độ phức tạp hơn, tùy theo lượng tín hiệu phản hồi về và luật xử lý giữa chúng với điện áp đặt. Có thể kể đến các bộ tự động điều chỉnh điển hình như: bộ điều chỉnh kiểu tỷ lệ P, PI, PID.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoahọc kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp điện tử thìcác thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càngnhiều Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốcdân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh

an toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cầnphải giải quyết

Để giải quyết được vấn đề này thì nhà nước ta cần phải có đội ngũthiết kế đông đảo và tài năng Sinh viên ngành Tự Động Hóa tươnglại không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó mà cần phải tự trang

bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng Chính vì vậy

đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗisinh viên Tự Động Hóa Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổnghợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện để cho sinh viện ngành

Tự Động Hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử côngsuất Mặc dù vậy, với sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trườngthì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sựhướng dẫn giúp đỡ của thầy cô giáo Cho em được gửi lời cảm ơn tới

cô Nguyễn Thị Điệp đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ

án môn học này

Đồ án này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiềukiến thức hơn về môn học mà còn giúp em được tiếp xúc với mộtphương pháp làm việc chủ động hơn, linh hoạt hơn Quá trình làm đồ

án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động cơ 1 chiều kích từ độc lập 4

1.1 Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập 4

1.1.1 Cấu tạo: 4

1.1.2 Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 5

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: 8

1.2 Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều 11

1.2.1 Khái niệm chung 11

1.2.2 Nguyên lý chung của băm xung một chiều 11

1.2.3 Các phương pháp điều khiển 12

1.2.4 Giới thiệu về van bán dẫn 13

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực 17

2.1 Thiết kế mạch lực 17

2.2 Tính chọn các phần tử trong mạch 17

2.2.1 Tính toán một số phần tử dựa trên thông số động cơ 17

2.2.2 Tính chọn điện cảm 18

2.2.3 Tính chọn van 19

2.2.4 Tính chọn mạch bảo vệ 20

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển 21

3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM 21

3.2 Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa 22

3.2.1 Phân tích 22

3.2.2 Tính chọn 23

3.3 Khâu so sánh 23

3.4 Khâu khuếch đại và cách ly quang 24

3.5 Khâu tạo điện áp điều khiển 25

Chương 4: Mô phỏng 27

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM 27

4.2 Mô phỏng sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển 28

Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển 34

5.1 Nội dung đã tìm hiểu 34

5.2 Những hạn chế chưa làm được 34

5.3 Phương hướng phát triển: 34

Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động

cơ 1 chiều kích từ độc lập1.1 Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần: phần tĩnh (stator) và phần động (rotor)

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thông thường dùng những lá thép

kỹ thuẩ điện dày 0.5mm 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 sức điện động và có dòng điệnchạy qua Thường làm bằng đồng có bọc cách điện Trong máy điệnnhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớnthường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điệnvới rãnh của lõi thép.

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổichiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp có nhiều phiếnđồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến1.2mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp có cao hơnlên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào cácphiến góp được dễ dàng

1.1.2 Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập:

Động cơ một chiều kích từ độc lập có cấu tạo 2 phần riêng biệt: phầncảm bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông, phầnứng là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tácđộng giữa từ thông và dòng điện phần ứng tạo nên mô men quayđộng cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thôngtạo nên sức điện động Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện kích từ độclập được trình bày trên hình 1.1 dưới đây:

-Ukt

RktRf

CKTE

Biểu thức (1-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt

U

M

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô

(1-7) là tuyến tính Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trênhình dưới đây là đường thẳng:

khác, phương trình đặc tính cơ (1-4), (1-7) cũng có thể viết dưới

U RM

U K

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

A Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

U K

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một

họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.6 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi

giảm điện áp đặt vào phần ứng

Đặc điểm:

men là như nhau

- Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhấtkhông vượt quá sai số cho phép cho toàn giải điều chỉnh

với Uư≤Uđm)

đổi trơn điện áp

B Phương pháp điều chỉnh từ thông

tính từ hóa

U K

cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn

tính sẽ cắt nhau và do đó với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăngkhi từ thông giảm

với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện

ở mạch kích từ với dòng kích từ là 1-10% dòng định mức củaphần ứng, tổn hao điều chỉnh thấp

C Phương pháp điều chỉnh điện trở phần ứng

U K

có dạng như hình dưới đây

Hình 1.8 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi

thay đổi điện trở phụ phần ứng

Đặc điểm:

động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

1.2 Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều

1.2.1 Khái niệm chung

Băm xung một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều

ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định Băm xung một chiềuđược ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo

nguồn ổn áp dải rộng, … Tuy nhiên, bộ băm xung một chiều cũng cónhững ưu và nhược điểm khác nhau như sau.

Ưu điểm:

đáng kể so với các bộ biến liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ

vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa Transitor mà không phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnhliên tục khác

Nhược điểm:

Các bộ băm xung mộ chiều được phân thành băm xung một chiềukhông đảo chiều và có đảo chiều dòng tải Cấu trúc thực tế thườnggặp của băm xung một chiều gồm các khâu chủ yếu sau:

Hình 1.9 Cấu trúc chung của băm xung một chiều

Trong đó:

các ảnh hưởng tần số cao của băm xung đối với nguồn

khiển hoàn toàn

áp ra tải, tương tự như lọc một chiều trong chỉnh lưu

1.2.2 Nguyên lý chung của băm xung một chiều

Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.9

điện tử, hoạt động của băm xung một chiều là cho van đóng cắt theochu kỳ với quy luật:

- Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khóa Tr đóng mạch),

Hình 1.10 Nguyên lý băm xung một chiều

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải nhận được sẽ là:

0

0 0

Biếu thức (1-13) chi thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cáchthay đổi tham số γ Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện

áp một chiều E thành các “xung” điện áp đầu ra nên thiết bị này cótên là băm xung áp một chiều

1.2.3 Các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển chủ yếu là thay đổi tham số γ của biểu thức (1-13) ở phần trên Có 3 phương pháp chình cho phép thay đổi tham số γ là:

dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quátrình điều chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điềuchế độ rộng xung: PWM (Pulse With Modulation)

ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tảiđược giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vìvậy được gọi là phương pháp xung – tần Phương pháp nàykhông thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong dải rộng, vì

tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở khángkhi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khí tính toánthiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạchthuộc hệ có tham số biến đổi

này thay đổi cả độ rộng của xung và thay đổi tần số lặp lại củaxung này, vì vậy phương pháp này được gọi là phương phápxung – thời gian

1.2.4 Giới thiệu về van bán dẫn

Theo nguyên lý hoạt động ở trên ta thấy rằng van bán dẫn thích hợpcho băm xung một chiều phải là van cho phép điều khiển cả mở vàkhóa, tức là van điều khiển hoàn toàn như các loại transistor Loạivan bán điều khiển như thyristor là không phù hợp vì ở đây van phảilàm việc với điện áp một chiều và luôn là chiều thuận, do vậy khôngcòn giai đoạn điện áp âm của nguồn điện để khóa thyristor như trongmạch chỉnh lưu hay điều áp xoay chiều Trong các loại van thườngdùng trong băm xung áp một chiều chủ yếu là van MOSFET và IGBTvới ưu điểm vượt trội ở khả năng đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơngiản và công suất điều khiển lại khá nhỏ đến mức có thể IC hóa phầnđiều khiển Nếu so sánh 2 loại van này thì MOSFET thua kém hơnnhiều cả về khả năng mang dòng và chịu điện áp, tuy nhiên MOSFETlàm việc được với tần số đến MHZ trong khi IGBT thường dưới100kHZ Do vậy trong đồ án này em chọn sử dọng van MOSFET

A Cấu tạo của van MOSFET

Van MOSFET có cấu tạo được biểu diễn như hình dưới đây:

Hình 1.11 Cấu tạo của MOSFET

Trong đó:

 G (Gate): cực cổng, G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng

có độ cách điện cực lớn dioxit – silic

B Ký hiệu của MOSFET:

C Đặc tuyến vôn – ampe, điều kiện mở khóa van MOSFET:

Hình 1.12 Đặc tính vào ra của MOSFET

MOSFET là bóng trường với 3 cực Drain (D); Source (S) và Gate (G)

độ van điện tử:

điều khiển vượt giá trị nhất định (thường lớn hơn 10V)

MOSFET là van điều khiển bằng điện áp chứ không phải bằng dòng điện như BT Vì thế để đánh giá khả năng khuếch đại của bóng phải

bóng

D Phân tích và chọn sơ đồ băm xung áp một chiều:

Do yêu cầu của đề bài nên trong bài này em chọn sơ đồ băm xung

áp một chiều nối tiếp Dưới đây là sơ đồ bộ băm xung một chiều nối tiếp:

G

L E

Rt

D1E

Hình 1.13 Sơ đồ băm xung một chiều nối tiếp

Quá trình năng lượng xảy ra như sau:

E vì dòng điện từ nguồn cấp cho tải phải đi qua điện cảm L nênđiện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van dẫn

- Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, vankhóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước,dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chảy qua 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 cóthể liên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thườngmong 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 băm xungmột chiều, cũng vì thế dưới đây chỉ đề cập chế độ này Trong chế độ

vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (1-13)

Dòng trung bình qua tải:

t

E i

i

Trong đó: 1 exp(- )

T a

 

là hằng số thời gian của mạch tải

Giá trị lớn nhất của dòng điện:

1 1 max

1

1 1

t

b E E

t

E I

1

(1 )(1 )1

Biểu thức này cho thấy độ đạp mạch dòng không phụ thuộc vào tải

trường hợp tải Rl Có thể coi gần đúng hệ số đập mạch theo biểuthức:

Hình 1.14 Đồ thị dòng tuyến tính hóa

Lúc đó:

max min2

điốt D sẽ cực đại Dựa vào đây người ta có thể xác định dòng trungbình lớn nhất chảy qua các van khi làm việc để chọn van Điện áp lớnnhất van Tr phải chịu bằng điện áp nguồn E, điện áp ngược lớn nhấtđặt lên điốt cũng bằng E

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực

2.1 Thiết kế mạch lực

Dưới đây là sơ đồ mạch lực:

L1 R13 C3

D1

CKT

DCDC

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực

Trong sơ đồ gồm có:

Ta có:

min(1 min)

E L

I f

  



Ở chế độ ranh giới về dòng điện ta lại có:

I I I I

Vì coi dòng là tuyến tính nên ta có:

max min max

A Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện

Trong trường hợp dòng tải luôn đảm bảo được giá trị cực đại trong

B Chọn van theo chỉ tiêu điện áp

Chọn tải thuần trở, với điện áp nguồn 310VDC và giả sử điện trở tải bằng 20Ω sẽ có giá trị hiệu dụng của dòng tải lớn nhất ta có chỉ tiêu chọn van theo điện áp như sau:

 UGS(th): điện áp GS ngưỡng

2.2.4 Tính chọn mạch bảo vệ

Biện pháp bảo vệ thông dụng nhất hiện nay là dùng mạch RC mắcsong song với van và phải đặt càng gần van càng tốt sao cho dây nốingắn tối đa Khi van dẫn sẽ xuất hiện dòng phóng từ tụ C qua vanlàm nóng thêm cho van nên cần phải có điện trở R để hạn chế dòngđiện này Việc xác định trị số RC ở đây em dùng theo phương phápchọn theo kinh nghiệm thực tế: R có thể chọn từ (10 – 100) Ω; C cóthể chọn từ (0.1 – 2) μHF (van càng lớn thì tụ lớn hơn và điện trở nhỏđi)

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển

3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM

Mạch điều khiển phụ thuộc vào phương pháp điều khiển Phươngpháp điều chỉnh độ rộng xung PWM thực hiện băm xung với tần sốkhông đổi f=const, điện áp ra tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng

trúc hình 3.1 dưới đây và phía dưới là đồ thị minh họa nguyên lý hoạtđộng

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc và đồ thị điều khiển băm xung một chiều

kiểu PWM

Chức năng các khâu là:

nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi

đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham sốγ

đổi tham số điều chỉnh γ Điện áp của khâu này có dang xungtương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn

- Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ởkhâu so sánh, đồng thời phải thực hiện việc ghép nối với vanlực theo tính chất điều khiển của van lực

3.2 Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa

3.2.1 Phân tích

Khâu tạo răng cưa cho phép tạo ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của OA1 là dao động điện áp là xung chữ nhật Dưới đây là khâu phát xung và khâu tạo điện áp răng cưa

Urc

t T

Ura

t

Hình 3.5 Khâu phát xung và tạo điện áp răng cưa cùng với đồ thị

OA1 là mạch lật kiểu trigo Schmitt, do đó đầu ra chỉ có 2 trạng thái

tác dụng chống bão hòa sâu cho OA để có thể phản ứng nhanh dogiảm thời gian trễ lật trạng thái

(+) của OA1, mỗi khi điện thế này về đến không sẽ làm trigo lật sangtrạng thái đổi dấu điện áp đầu ra Lập tức bộ tích phân cũng đảochiều biến thiên và mạch bắt đầu mộ quy trình ngược với giai đoạntrước …

Phân tích cho thấy mức ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó cógiá trị gọi là điện áp ngưỡng và bằng:

3 2

Có thể biến xung tam giác hai cực tính thành một cực tính nếu sử

U R E R U





cưa tam giác trở thành một cực tính:

f



tiếp với đầu, với Uoa=12V, ta có điện áp cực đại Um= Uoa+UDz

=12+0.7=12.7V

Do sự biến thiên của điện áp ta rút ra:

1 1

chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm bảo biên độ xung tam tam giác 10V

Danh sách các link kiện đã chọn cho khâu này

Tùy thuộc vào điện áp răng cưa và điều khiển đưa vào cửa nào màđiện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằnggiữa chúng Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), còn điện áprăng cưa đưa vào cửa (-) thì điện áp ra tải là