Đồ án môn Điện tử công suất - Đề tài: 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 LỜI MỞ ĐẦU 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 một chiều có đảo chiều để điều chỉnh động cơ một chiều kích từ độc lâp. 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 Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập. 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: 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 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: A 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. Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 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. CKT Rf RKT U­ IKT E­ - + 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(Iư) 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< Uđm Tốc độ không tải giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ = const. Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động. Ảnh hưởng của từ thông: Muốn thay đổi ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải tăng. Độ cứng đặc tính cơ: = giảm. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: n=U-Rư.IưKE.∅kt (1.2) Từ phương trình trên ta thấy n ( tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào từ thông θ, điện trở phần ứng R, điện áp phần ứng U. Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có 3 phương án. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông ∅ Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 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 n0 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. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng. Ta có: n=U-Rư.IưKE.∅kt Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n 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 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 ∆n 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.θ.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. Giới thiệu chung về bộ băm xung áp một chiều 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 Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thể điều chỉnh được. BBĐ một chiều US Ura Ura t t1 t2 T 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. 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. 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 p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET. Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET. Hình 8: cấu tạo van IGBT Điều khiển mở van, khóa van - Do cấu trúc n-p-n 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 p-n-p. 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 p-n-p) 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 colecto-emite 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 colecto-emite 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 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). 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: S1 và S2 được kích dẫn, S3 và S4 được kích tắt, động cơ được nối với nguồn U, dòng qua phần ứng tăng đến giá trị Imax. +Trong khoảng 2:S1và S2 được kích tắt,S3 và S4 được kích dẫn,nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện phần ứng khép mạch qua D3 và D4 về nguồn, S3 và S4 bị đạt điện áp ngược bởi hai diode D3 và D4 nên khoá, dòng id giảm từ Imax về 0 +Trong khoảng 3:S3 và S4 được kích dẫn, điện áp đặt lên động cơ là –U, dòng id tăng theo chiều ngược lại (giảm từ 0 về Imin theo chiểu dương). +Trong khoảng 4: S3 và S4 được kích tắt, S1 và S2 được kích dẫn, nhưng do trước đó dòng id chạy theo chiều ngược lại nên dòng id tiềp tục chảy theo chiều cũ, khép mạch qua các diode D1 và D2 về nguồn; S1 và S2 bị đặt điện áp ngược bởi hai diode D1 và D2 phân cực thuận nên khoá, do đó id giảm theo chiều ngược lại từ Imin về 0. 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: g E>Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất .Năng lượng cấp cho động cơ được cấp từ nguồn thông qua các van S1,S2 dẫn trong khoảng 0 ¸ t1 . +Trong khoảng t1 ¸T :Năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện theo chiều cũ và khép mạch qua S2,Đ4. Trạng thái 2: g E<Et : Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ 2 (chế độ hãm) +Trong khoảng 0 ¸t1 :Động cơ trả năng lượng về nguồn thông qua các Điôt Đ1,Đ2 (IĐ1=IĐ2=It) +Trong khoảng t1 ¸T :S4 dẫn ,dòng tải khép mạch qua Đ2 ,S4 (IĐ2=IS4=It) Trạng thái 3: g E=Et : +Trong khoảng 0 ¸t0: Et > g E :Động cơ trả năng lượng về nguồn qua Đ1 và Đ2 (IĐ1=IĐ2=It) +Trong khoảng t0 ¸t1 : g E>Et : Động cơ làm việc ở chế độ động cơ Năng lượng từ nguồn qua S1 , S2 cấp cho động cơ +Trong khoảng t1 ¸t2: S1 khóa ,S4 mở .Năng lượng tích luỹ trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện qua Đ2 ,Đ4 +Trong khoảng t2 ¸T :Khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết ,suất điện động động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua S4 ,Đ2 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 S3 và S2 dẫn ngược nhau, van S4 luôn dẫn, van S1 luôn khóa. Các biểu thức tính toán: + Giá trị dòng trung bình qua tải Ta có L. ditdt + R.it + E = U Do đó 1T .0TL. ditdt + 1T 0TR.it dt + 1T 0TEt.dt = 1T 0TUt.dt R.It + E = γ U => It = γU-ER + Dòng trung bình qua van Is = LR.U(1-b1-1)(1-a1.b1)T.(1-a1) Với a1 = e-tτ b1 = etnτ Rút gọn ta có Is = γIt +Dòng trung bình qua Diot ID = U.L.(1-a1.b1)(1-b1-1)1-a1 - ER1-γ=1-γIt + 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. Diot: bảo vện điện áp ngược đặt lên 2 đầu của van IGBT 2.2 Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch Tính toán động cơ: Thông số động cơ: P= 1kW, Udm= 200V, Idm= 10A, Ikt=0.5A, ndm=3000v/p Tốc độ định mức của động cơ: wdm= ndm9.55=30009.55=314(rad/s) Điện trở phần ứng Rư= 0.5(1-PdmUdm.Idm)= 0.5(1-1000200.10)= 0.25(Ω). Điện áp phần ứng: Eư=Udm- Rư. Idm= 200-0.27x10=220 - 2.5= 117.5 v Lựa chọn Diot: Diot công suất được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiên tản nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van Diot được tính toán như sau: khi bỏ qua sự sụt áp trên các van +Dòng điện trung bình chạy qua Diode ID = (1- γ )It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =18(A) Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A) Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là: Ungmax=E=200(V) Chọn hệ số quá điện áp ku = 2 nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V). Lựa chọn van IGBT Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển hoàn toàn là IGBT. +Tính dòng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: Dòng điện trung bình chạy qua van lµ : IS = γ It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =18(A) + Chọn chế độ làm mát là van có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió, khi đó dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50 % Idm. Lúc đó dòng điện qua van cần chọn : Iđmv = ki Imax =18/0.5=36(A). Qua các biểu đồ ta thấy :Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi Diode (bỏ qua sụt áp trên các van ) là Ungmax=E=400(V). Chọn hệ số quá điện áp ku = 2 nên Ungv =ku.Ungmax = 2*200=400(V). Loại NSX Điện áp Vcemax (V) Dòng điện ICmax (A) ở 25oC Điện áp Vgeth (V) Công suất Ptotmax (W) R (K/R) BSM50GB60DLC eupec GmbH 600 75 5,5 250 0.5 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển Uph Khâu xử lý tín hiệu Logic và phân xung Tạo điện áp tam giác So sánh Khâu tạo điện áp điêu khiển Cực điều khiển IGBT Sơ đồ khối mạch điều khiển: 3.2 Chức năng của từng khâu a) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác. Người ta thường dùng khuếch đại thuật toán để tạo ra xung chữ nhật và xung giác. Bằng việc nối mạch Trigger Smith nối tiếp với mạch tích phân có phản hồi sẽ tạo nên dao động: xung chữ nhật ở đầu ra mạch Trigger Smith và xung tam giác ở đầu ra OA2. Dạng của điện áp dao động hình chữ nhật và điện áp răng cưa Từ hình vẽ ta thấy thời gian nạp phóng bằng nhau( với hằng số thời gian RC) và điện áp cuối quá trình phóng nạp có độ lớn bằng nhau. Do đó xung ra là đối xứng. Chu kì dao động: T= t1 + t2 = 2. t1 = 4. RC.(R1 / R2) Hay tần số xung f = = Tần số dao động phụ thuộc vào tần số băm xung của mạch lực, có thể từ vài trăm Hz đến vài chục KHz. (thường lấy chuẩn là 400 Hz). Giá trị C1 thường được chọn theo tần số cao hay thấp. Khi tần số khoảng vài trăm Hz thì tụ C1 có giá trị khoảng 0,1. Khi tần số khoảng vài chục KHz thì tụ C1 có giá trị nhỏ đi nhiều. b) Khâu so sánh: Khâu so sánh dùng mạch so sánh 2 cửa để so sánh 2 tín hiệu URC với Uđk để quyết định thời điểm mở van IGBT. Cho Uđk và URC tới 2 cực khác nhau của OA. Điện áp ra tuân theo quy luật: Ura = Ko. (U+ – U– ) Với Ko là hệ số khuếch đại của OA. Tuỳ thuộc vào điện áp răng cưa và điều khiển đưa vào cửa nào của OA mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng. ở đây ta đưa Urc vào đầu âm còn Uđk vào đầu dương (hình vẽ). Khi đó điện áp ra là: Ura = Ko. (Uđk – Urc ) Điểm lật trạng thái ứng với URC = Uđk. + Khi URC > Uđk thì DU = Uđk – URC < 0 Uso sánh = âm điện áp bão hoà. + Khi URC 0 Uso sánh = dương điện áp bão hoà. Như vậy các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái đầu ra. Và độ chênh lệch tối đa giữa 2 cửa trạng thái khi làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của loại OA đã chọn. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: điều chỉnh Uđk, sẽ điều chỉnh được Uss1 tức là điều chỉnh được độ rộng xung. Từ đó sẽ điều chỉnh được điện áp ra tải. c) Khâu xử lý tín hiệu. USS2 USS1 EN USS1 Khâu xử lý tín hiệu Tín hiệu USS1 từ bộ so sánh được đưa vào khâu xử lý tín hiệu để trở thành 2 tín hiệu USS1 và USS2 sẽ được đưa vào bộ lôgic phân xung để điều khiển các van IGBT. Khâu xử lý tín hiệu bao gồm một phần tử NAND có tín hiệu ra có thể điều chỉnh nhờ tín hiệu vào EN để quyết định trạng thái ra của USS2. Tín hiệu EN điều khiển lúc nào thì cần đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ nguyên. Phần tử NAND trong khâu xử lý tín hiệu có thể được chọn là một vi mạch của họ CMOS 74Cxx. d) Khâu logic phân xung. Là khâu quyết định dạng xung đưa tới các IGBT và điều khiển đóng mở các van này để tạo thành các chế độ quay thuận và quay nghịch của động cơ. Ta lập bảng trạng thái sau: USS1 USS2 S1 S2 S3 S4 Trạng thái động cơ 1 0 1 1 0 0 Quay thuận 1 1 0 1 0 1 Hãm 0 1 0 0 1 1 Quay ngược (đảo chiều quay) 1 1 0 1 0 1 Hãm Từ bảng trạng thái trên, ta dùng một bộ NAND họ CMOS GD75188 dùng 4 phần tử NAND. Sơ đồ tổng hợp của mạch logic phân xung: Do các OA dùng nguồn nuôi hai cực tính nên sẽ xuất hiện các xung âm. Vì vậy ta phải chặn các xung âm từ đầu ra bộ so sánh và bộ đảo dấu bằng các Điot. Tính toán mạch điều khiển Khâu tạo dao động và khâu tạo răng cưa. Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL084. Với điện áp cung cấp là ± 12V. Chu kỳ dao động: Chọn tần số băm xung f = 400 Hz Ta có: . Suy ra: = 2,5 ms Điện áp ra của khâu tạo dao động và tạo răng cưa có dạng răng cưa và có điện áp đỉnh bằng điện áp bão hoà của IC. Với nguồn cấp cho OA là 12 V thì điện áp bão hoà của IC khoảng (80% 90%).12V 10V. Ta tính chọn R1, R2, R, C để điện áp ra max của điện áp răng cưa là 10V. Khi đó ta có: R2 = 1,2.R1 Chọn R1 = 33 k thì R2 = 1,2.R1 = 1,2.33 = 39,6 k, lấy giá trị chuẩn là 39 k = 0,75.10-3 chọn C = 0,1 suy ra R = 7,5 k Khâu so sánh. Điện áp răng cưa có giá trị max = 10V sau khi được tạo thành từ khâu tạo dao động và răng cưa được đưa vào khâu so sánh và được so sánh với điện áp Uđk để tạo thành điện áp Uss1. Điện áp điều khiển đưa vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng – 10V đến + 10V. Khâu xử lý tín hiệu. Khâu xử lý tín hiệu bao gồm 1 phần tử NAND làm nhiệm vụ đảo dấu tín hiệu USS1 thành USS2. Phần tử NAND trong khâu xử lý tín hiệu có thể được chọn là một vi mạch của họ CMOS 74Cxx. Tín hiệu vào EN được đưa vào từ bên ngoài trên cơ sở những thông tin thu thập được từ khâu phản hồi.Tín hiệu EN dùng để điều khiển lúc nào thì cần đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ nguyên. quy tắc điều khiển của EN: USS2 USS1 EN USS1 Khâu xử lý tín hiệu Tín hiệu vào Tín hiệu ra EN USS1 USS1 USS2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 Mức 1, 0 thể hiện ở giá điện áp vào tương ứng ở mức cao, thấp. Khi EN = 1: Khâu có 2 tín hiệu ra trái dấu nhau: USS1 và USS2 = - USS1 Khi EN = 0 : Khâu có 2 tín hiệu ra bằng nhau: USS1 và USS2 = USS1 Nói cách khác: tín hiệu EN sử dụng khi cần cho động cơ hãm và khi đó EN = 0. Khâu lôgic phân xung. Khâu lôgic phân xung dùng tín hiệu USS1 và USS2 đã qua khâu xử lý tín hiệu để làm tín hiệu vào. Khâu này sử dụng một IC GD75188 họ CMOS gồm 4 phần tử NAND có cấu tạo như hình vẽ bên. X1 X2 Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Thông số: Điện áp cung cấp: ± 12V Dải nhiệt độ làm việc 0 đến 75o Công suất tiêu thụ ở 25oC với điện áp cung cấp ± 12V là 576 mW Điện áp vào nhỏ nhất ở mức cao là 1,9 V Điện áp vào lớn nhất ở mức thấp là 0,8 V Dòng vào ở mức cao là 10 A Dòng vào ở mức thấp là - 1,6 mA Chọn 2 Diode loại D10D1 để làm nhiệm vụ chặn các xung âm. Các điện trở R7 đến R12 trong mạch chọn khoảng 10 k. Sơ đồ tổng hợp của khâu lôgic phân xung như sau: Bảng trạng thái thể hiện quy luật điều khiển không đối xứng như sau: USS1 USS2 S1 S2 S3 S4 Trạng thái động cơ 1 0 1 1 0 0 Quay thuận 1 1 0 1 0 1 Hãm 0 1 0 0 1 1 Quay ngược (đảo chiều quay) 1 1 0 1 0 1 Hãm Nhận xét: không được để chế độ cả USS1 và USS2 đều có giá trị 0 vì sẽ xảy ra ngắn mạch gây cháy hỏng, chập mạch. Tuy nhiên với quy luật điều chỉnh của tín hiệu EN ở khâu xử lý tín hiệu, thì khó xảy ra trường hợp cả USS1 và USS2 đều bằng 0. Tính toán điện áp điều khiển Như ta đã phân tích ở phần mạch lực thì ta đã biết, quy luật điều khiển không đối xứng có 2 cách: ứng với mỗi cách thì động cơ quay theo một chiều khác nhau, muốn đảo chiều động cơ thì phải đổi cách điều khiển các van IGBT. Tín hiệu USS1 và USS2 được tạo ra và được điều chỉnh từ khâu xử lý tín hiệu và khâu so sánh. Tín hiệu USS1 được tạo ra từ khâu so sánh và sẽ được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh Uđk đã được tính toán từ trước. Điều chỉnh Uđk sẽ thay đổi được giá trị của USS1 và USS2 để điều khiển chế độ làm việc của các van IGBT theo quy luật lôgic đặt ra trong khâu lôgic phân xung. Tín hiệu EN trong khâu xử lý tín hiệu sẽ quyết định chế độ làm việc của động cơ (chiều quay động cơ) là thuận hay nghịch, hay hãm. Việc điều chỉnh Uss1 và Uss2 bằng Uđk còn có nghĩa là điều chỉnh giá trị . Điện áp đặt lên phần ứng của động cơ tỉ lệ với , nên điều chỉnh có thể điều chỉnh được giá trị điện áp đặt lên phần ứng của động cơ. Khi đó sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Như vậy, phải điều chỉnh điện áp Uđk và tín hiệu EN thu được từ khâu phản hồi tốc độ để điều chỉnh được chế độ làm việc của động cơ và ứng với từng chế độ quay thuận và quay ngược thì dải điều chỉnh tốc độ là 3:1 Tín hiệu EN luôn ở mức cao (+12V) khi động cơ làm việc ở chế độ thuận và nghịch và tín hiệu EN ở mức thấp (0V) khi động cơ ở chế độ hãm. Xét chế độ quay thuận. (Uss1 =1; USS2 = 0) Van S1 và S4 làm việc ngược nhau, van S2 luôn mở, van S3 luôn khoá. Theo phần lý thuyết Ta có: Ut = U mà có giá trị từ 0 đến 1. Khi = 1, điện áp đặt lên động cơ có giá trị lớn nhất. ta có Ut = U = Uđm = 200V tương ứng với tốc độ lớn nhất max. Vì dải điều chỉnh tốc độ của động cơ là 3 : 1. Do đó dải điều chỉnh điện áp ra tải tương ứng của động cơ sẽ là 3 :1. Khi đó, tốc độ min sẽ tương ứng với điện áp đặt lên phần ứng động cơ là nhỏ nhất. V Và Utmin = Uđm = = 0,335 Như vậy dải điều chỉnh của là = 0,335 đến 1 + Ta có t0max=T = 2,5 ms (giá trị tạo thành ở khâu tạo dao động). Mà khi Uđk > URC thì tín hiệu USS tạo thành có giá trị max, hình thành giá trị thời gian to cho động cơ quay thuận. Như vậy khi tomax = T tức là Uđk có giá trị lớn nhất = giá trị đỉnh trên của xung răng cưa = + 10V Vậy Uđkmax = 12V cho điện áp phần ứng lớn nhất do đó tốc độ của động cơ lớn nhất. +Ta có tomin = 0,335. 2,5 = 0,8375 ms Do đó Uđkmin = = 0,335.10 = 3.35 V khi đó tốc độ động cơ nhỏ nhất. Như vậy bằng cách thay đổi Udk trong khoảng 3.35(V) đến 10(V) ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ở chế độ thuận trong dải điều chỉnh là 3:1 Xét chế độ quay ngược. (Uss1 =0; USS2 = 1) Van S3 và S2 làm việc ngược nhau, van S4 luôn mở, van S1 luôn khoá. Theo phần lý thuyết Ta có: Ut = U mà có giá trị từ 0 đến 1. Khi = 1, điện áp đặt lên động cơ có giá trị lớn nhất. ta có Ut = U = Uđm = - 200V tương ứng với tốc độ lớn nhất max và lúc này điện áp đặt lên động cơ ngược với chiều điện áp cung cấp . Vì dải điều chỉnh tốc độ của động cơ là 3 : 1. Do đó dải điều chỉnh điện áp ra tải tương ứng của động cơ sẽ là 3 :1. Khi đó, tốc độ min sẽ tương ứng với điện áp đặt lên phần ứng động cơ là nhỏ nhất. V Và Utmin = Uđm = = 0,335 Như vậy dải điều chỉnh của là = -1 đến -0.335 + Ta có t0max=T = 2,5 ms (giá trị tạo thành ở khâu tạo dao động). Mà khi Uđk < URC thì tín hiệu USS tạo thành có giá trị bằng 0, hình thành giá trị thời gian to cho động cơ quay ngược. Như vậy khi tomax = T tức là Uđk có giá trị nhỏ nhất = giá trị đỉnh dưới của xung răng cưa = - 10V Vậy Uđkmin = - 10V cho điện áp phần ứng lớn nhất do đó tốc độ của động cơ lớn nhất theo chiều ngược. +Ta có tomin = 0,335. 2,5 = 0,8375 ms Do đó Uđkmax = = -0,335.10 = - 3,35 V khi đó tốc độ động cơ nhỏ nhất theo chiều ngược. Như vậy bằng cách thay đổi Udk trong khoảng - 10(V) đến – 3.35(V) ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ở chế độ ngược trong dải điều chỉnh là 3 :1. CHƯƠNG 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển 4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM Phần mềm được sử dụng để mô phỏng ở đây là phần mềm PSIM. PSIM là phần mềm mô phỏng được thiết kế đặc biệt để mô phỏng các mạch điện tử công suất, các hệ truyền động điện. Thư viện của PSIM rất phong phú và đa dạng cùng với khả năng mô phỏng nhanh, giao diện thân thiện, dễ sử dụng và phân tích dạng sóng tốt, PSIM là công cụ mô phỏng mạnh mẽ cho việc phân tích các bộ biến đổi điện tử công suất, thiết kế vòng điều khiển kín, và nghiên cứu các hệ thống truyền động điện. Có nhiều ưu điểm như vậy nhưng PSIM không đòi hỏi máy tính phải có cấu hình mạnh và bộ nhớ lớn như MATLAB. Khi các bạn khởi động chương trình thì PSIM Schematic sẽ chạy đầu tiên, vào File ≫ New nó ra giao diện như sau: Phần trên cùng là thanh chuẩn (Standard) gồm File, Edit, View , Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help. Mọi thao tác trong PSIM đều có thể thực hiện được từ thanh chuẩn này. Thanh dưới bao gồm các công cụ hay dùng, cơ bản như New , Save, Open và các lệnh thường dùng như Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng) Thanh dưới cùng là các linh kiện thường dùng như điện trở, cuộn cảm, tụ điện, thyristor Sau khi mô phỏng xong mạch lực và mạch điều khiển, vào Simulate ≫ Simulation Control. Một cái biểu tượng đồng hồ hiện ra, đặt vào một vị trí tùy ý trong trang vẽ, một hộp thoại hiện ra. Time Step là bước thời gian tính toán, Total Time là tổng thời gian bạn muốn chương trình chạy mô phỏng, đơn vị đều là giây. Đó là 2 thông số quan trọng nhất. Việc đặt Time Step và Total Time cần phù hợp với từng mạch. Time Step càng nhở mô phỏng càng chính xác và đường đồ thị càng mịn, tuy nhiên nếu chọn Time Step quá nhỏ và Total Time quá lớn thì thời gian chạy sẽ lâu. Chọn xong thông số mô phỏng, các bạn chạy mô phỏng bằng cách: Simulate ≫ Run Simulation. Chương trình PSIM Simulation sẽ chạy và sau đó SIMVIEW cũng tự động chạy và cửa sổ của chương trình SIMVIEW hiện ra. Nếu không hiện ra, các bạn vào Simulate ≫ Run SIMVIEW . Cửa sổ SIMVIEW hiện ra với 1 hộp thoại, trong hộp thoại có các đại lượng có thể hiển thị, các bạn muốn hiển thị đồ thị nào thì chọn đại lượng đó và ấn Add, sau đó OK. Tên các đại lượng sẽ để mặc định, các bạn nên đặt lại tên theo ý mình để dễ theo dõi bằng cách click đúp và đặt lại tên phần tử trong PSIM Schematic. Cần lưu ý là, các đại lượng này có giá trị rất khác nhau, nếu hiển thị cùng trên một hệ trục tọa độ thì có thể sẽ không nhìn thấy được đồ thị các đại lượng nhỏ, để quan sát đầy đủ, các bạn hãy hiển thị các đồ thị trong các hệ khác nhau bằng cách: Screen ≫ Add Screen. Muốn thêm hay bớt đồ thị của screen nào, các bạn click chuột vào khu vực screen đó, một dấu màu đỏ sẽ hiện ra góc trên bên phải của screen, đánh dấu rằng screen đó được chọn, sau đó dùng lệnh Screen ≫ Add/Delete Curve. 4.2 Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển a) Cài đặt thông số Cài đặt các thông số cho Simulation Control: Time Step: 1E-0.05 Total Time: 0.02 Cài đặt thông số Udk Xét chế độ định mức của tải động cơ: Ở chế độ quay thuận : Để tải là định mức thì ta chọn γ=200/350=0.57. Nên Udk= 10x0.57=5,7v Ở chế độ quay nghịch: Để tải là định mức thì ta chọn giá trị điều khiển Udk=-5,7v b) Kết quả mô phỏng: Xung răng cưa: Xung so sánh: Chế độ quay nghịch UEN=12v Udk=5,7v: Giá trị điện áp tải trung bình: Ut=206v Chế độ quay nghịch UEN=12v Udk=-5,7v: Giá trị điện áp tải trung bình: Ut=-218v Nhận xét: Do mạch vẫn còn sai số nên điện áp ra trên tải vẫn còn lệch. Xung răng cưa và so sánh giống như tính toán.