THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Chương 1: Tổng quan về bộ băm xung áp và động cơ 1 chiều kích từ độc lập41.1.Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập41.1.1.Cấu tạo:41.1.2.Xây dựng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:51.1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:81.2.Giới thiệu chung về băm xung áp một chiều111.2.1.Khái niệm chung111.2.2.Nguyên lý chung của băm xung một chiều111.2.3.Các phương pháp điều khiển121.2.4.Giới thiệu về van bán dẫn13Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực172.1.Thiết kế mạch lực172.2. Tính chọn các phần tử trong mạch172.2.1.Tính toán một số phần tử dựa trên thông số động cơ172.2.2.Tính chọn điện cảm182.2.3.Tính chọn van192.2.4. Tính chọn mạch bảo vệ20Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển213.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp PWM213.2. Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa223.2.1. Phân tích223.2.2. Tính chọn233.3. Khâu so sánh233.4. Khâu khuếch đại và cách ly quang243.5. Khâu tạo điện áp điều khiển25Chương 4: Mô phỏng274.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM274.2. Mô phỏng sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển28Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển345.1. Nội dung đã tìm hiểu.345.2. Những hạn chế chưa làm được345.3. Phương hướng phát triển:34

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU NỐI TIẾP CẤP CHO

PHẦN ỨNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Điệp Sinh viên thực hiện : Hoàng Trọng Hiếu Lớp : D13TDH&DKTBCN1 MSV : 1781410332

Hà Nội, tháng 6 năm 2021

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

mẽ

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạpcủa công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu đểtìm ra giải pháp tối ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa– hiện đại hóa của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thayđổi nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sảnxuất Do đó đồi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển antoàn, 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

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

rct – điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Eư =KɸꞶ (1-2)

Trong đó:

K = 2

pN a

 - hệ số cấu tạo của động cơ

R R U

M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từđộc lập Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông ɸ = const, thì cácphương trình đặc tính cơ

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

U K

 cđược gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của mô men tải M

Khi Rf = 0, ɸ = ɸđm và Uư = Uưđm ta có đặc tính cơ tự nhiên

A Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng

Giả thiết ɸ = ɸđm, điện trở phụ Rf = 0 Khi thay đổi điện áp theo

hướng giảm so với Uđm ta có:

Tốc độ không tải: 0 dm

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:

- Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ giải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn giải điều chỉnh ứng với một mômen 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

- Dải điều chỉnh của phương pháp này là D ~ 10:1

- Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổivới Uư≤Uđm)

- Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thayđổi trơn điện áp

B Phương pháp điều chỉnh từ thông

Giả thiết: U = Uđm, điện trở phụ Rf = 0 Muốn thay đổi từ thong tathay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ trong đoạn tuyến tính của đặctính từ hóa

Tốc độ không tải lý tưởng: 0 dm

U K

- Từ thông cảng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính

cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

- Có thể điều chỉnh thay đổi dải điều chỉnh

- Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặctính sẽ cắt nhau và do đó với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăngkhi từ thông giảm

- Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở tải không quá lớn sovới 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

Giả thiết Uư = Uđm và ɸ = ɸđm Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng

ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tưởng: 0 dm

U K

   

Như vậy, khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở

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:

- Khi tăng Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm

- Dòng điện khởi động và mô men mở máy cũng giảm

- Ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi 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

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:

- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so với các bộ biến liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ

- Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

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

- Kích thước gọn nhẹ

Nhược điểm:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh

- Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh 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:

 E – nguồn một chiều (có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu)

 LVĐ – bộ lọc đầu vào, là các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn các ảnh hưởng tần số cao của băm xung đối với nguồn

 MV – mạch hình thành từ các van bán dẫn, chủ yếu là van điều khiển hoàn toàn

 LĐR – bộ lọc đầu ra có nhiệm vụ san phẳng dòng điện hay điện

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

Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.9.Giữa nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóađiện 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),điện áp trên tải Ut sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E;

- Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồnnên Ut = 0

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

 t0 – thời gian van Tr dẫn

 γ – tham số điều chỉnh

 T – chu kỳ đóng cắt của van

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

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:

- Thay đổi thời gian t0 còn giữ chu kỳ T là không đổi, như vậy tadùng 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)

- Thay đổi chu kỳ T, còn giữ thời gian t0 không đổi Cách nàyngược 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

- Thay đổi thời gian t0 đồng thời thay đổi luôn cả chu kỳ T Cáchnày 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

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

 S (Source): cực nguồn

 D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

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) Bình thường bóng cũng cần có Uds > 0 Các trạng thái tương ứng chế

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:

- Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng củanguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: Ut =

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 độdòng điện liện tục, tải có thể có dạng RLEt hay RL (coi Et = 0) đềuvẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (1-13)

Dòng trung bình qua tải:

t

U E E I

(1-14)Bằng phương pháp giải mạch có quy luật biến thiên dòng điện tải trong hai giai đoạn là:

1

1 1 1

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

E I

(1-Giá trị nhỏ nhất của dòng điện:

1 1 min

1

( 1)1

t

E I

1

(1 )(1 )1

t

b a b E

là RL hay RLE, khi tải có sức điện động Et ảnh hưởng đến giá trị tứcthời của dòng điện làm giảm giá trị số một lượng bằng Et/Rt so vớitrường 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

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch lực

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực

Trong sơ đồ gồm có:

- Van Mosfet

- Diode D1: dùng để chống điện áp ngược đặt lên van

- R13, C3: bảo vệ xung áp trên van

70.75( )230.36