Đang tải... (xem toàn văn)
thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay. trong đề tài mình có sử dụng PID và bộ giới hạn điều khiểnCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁPCHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆCHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂNHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB SIMULINK
GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Cơng Suất LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày nay, khơng riêng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… sử dụng ngày nhiều thành tựu cơng nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó minh chứng cho phát triển ngành công nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hố đại hố đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử cơng suất Cũng với lý đó, chúng em làm đồ án môn học điện tử công suất Nhiệm vụ: ” Thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động điện chiều không đảo chiều quay ” Mặc dù dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý thầy, cô Cuối em xin chân thành cảm ơn Thầy cô khoa, đặc biệt thầy PGS.TS ĐỒN QUANG VINH giúp em hồn thành đồ án môn học Đà Nẵng, ngày 04 tháng 11 năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Đình Tiến SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Công Suất MỤC LỤC Lời nói đầu MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1.1 Tổng quan thiết bị biến đổi xung áp 1.1.1 Khái quát băm xung chiều 1.1.2 Cấu trúc phân loại biến đổi xung áp 1.1.3 Phương pháp điều khiển biến đổi xung áp 1.2 Tổng quan động điện chiều 10 1.2.1 Tầm quan trọng động điện chiều 10 1.2.2 Ưu nhược điểm động điện chiều 10 1.2.3 Cấu tạo động điện chiều kích từ độc lập 10 1.2.4 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 11 1.3 Hệ truyền động xung áp – động 13 1.3.1 Khái quát hệ truyền xung áp – động 13 1.3.2 Sơ đồ nguyên lý 14 1.3.3 Nguyên lý hoạt động 15 1.3.4 Đặc tính điều chỉnh xung áp – động 17 CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 19 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 19 2.2 Tính chọn phần tử mạch động lực 20 2.2.1 Tính chọn Van IGBT 20 2.2.2 Tính chọn Diode cơng suất D 21 2.2.3 Tính chọn chỉnh lưu 22 2.2.4 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu 22 2.2.5 Tính chọn phần tử khối lọc đầu vào 30 2.2.6 Tính chọn phần tử khối lọc đầu 35 CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ 41 3.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ 41 3.2 Bảo vệ phần tử mạch chỉnh lưu 42 SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang Đồ án: Điện Tử Công Suất GVHD: PGS-TS Đoàn Quang Vinh 3.2.1 Bảo vệ nhiệt độ cho Diode chỉnh lưu 42 3.2.2 Bảo vệ dòng điện cho Diode chỉnh lưu 42 3.2.3 Bảo vệ điện áp cho Diode chỉnh lưu 43 3.3 Bảo vệ van bán dẫn IGBT 44 3.2.1 Bảo vệ nhiệt độ cho van IGBT 44 3.2.2 Thiết kế mạch đệm kiểu RCD cho van IGBT 44 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 46 4.1 Cấu trúc mạch điều khiển động điện chiều 46 4.2 Tính tốn mạch điều khiển 46 4.2.1 Khâu phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 46 4.2.2 Khâu tạo điện áp điều khiển 47 4.2.3 Khâu tự động điều chỉnh 49 4.2.4 Khâu hạn chế tham số điều chỉnh γ 50 4.2.5 Khâu so sánh tạo xung 50 4.2.6 Khâu cách ly khếch đại 51 4.2.7 Mạch chuyển đổi điện áp phản hồi 53 4.2.7 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển 54 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK 56 5.1 Sơ đồ mạch mô hệ thống 56 5.2 đồ thị dạng sóng điện áp dịng điện 56 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang Đồ án: Điện Tử Công Suất GVHD: PGS-TS Đoàn Quang Vinh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 1.1 Tổng quan thiết bị biến đổi xung áp 1.1.1 Khái quát băm xung chiều Băm xung chiều thiết bị dùng để thay đổi điện áp chiều tải từ nguồn điện áp chiều cố định Băm xung chiều ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động điện chiều, tạo nguồn điện áp dài rộng… Cấu trúc thực tế thường gặp BXMC gồm khâu chủ yếu sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc băm xung chiều E – Nguồn chiều, acquy chỉnh lưu LĐV – Bộ lọc đầu vào, phần tử L, C LC nhằm ngăn ảnh hưởng tần số cao băm xung nguồn MV – Mạch hình thành từ van bán dẫn, chủ yếu van điều khiển hoàn toàn LĐR – Bộ lọc đầu có nhiệm vụ san phẳng dịng điện hay điện áp tải, tương tự lọc chiều chỉnh lưu Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng khố điện tử cơng suất chúng có đặc tính tương ứng với khố lý tưởng, tức khố dẫn điện (đóng) điện trở khơng đáng kể; cịn khố bị ngắt (mở ra) điện trở vơ lớn (điện áp tải mạng không) * Ưu điểm biến đổi xung áp sau: + Hiệu suất cao tổn hao cơng suất biến đổi không đáng kể so với biến đổi liên tục + Độ xác cao chịu ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường, yếu tố điều chỉnh thời gian đóng khố S mà khơng phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh thường gặp điều chỉnh liên tục kinh điển + Chất lượng điện áp tốt so với biến đổi liên tục khác + Kích thước gọn nhẹ * Nhược điểm biến đổi xung áp là: + Cần có lọc đầu ra, làm tăng quán tính điều chỉnh biến đổi làm việc hệ thống kín + Tần số đóng cắt lớn tạo ta nhiễu cho nguồn thiết bị điều khiển Tuy nhiên biến đổi xung áp ứng dụng rộng rãi, yếu tố độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định kích thước tiêu chí đặt lên hàng đầu SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang Đồ án: Điện Tử Cơng Suất GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh 1.1.2 Cấu trúc phân loại biến đổi xung áp 1.1.2.1 Bộ biến đổi xung áp giảm áp Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý đồ thị dạng sóng xung áp giảm áp Đặc điểm: Sơ đồ biến đổi xung áp giảm áp có khóa S tải mắc nối tiếp với Tải có tính chất cảm dung kháng, thường tải cảm kháng (RL) hay tải có sức điện động động điện chiều (dạng RưLưEư) Diode D mắc ngược với Uz để dịng tải ngắt khóa S Nguồn chiều lấy từ acquy, pin điện từ nguồn áp xoay chiều qua chỉnh lưu không điều khiển mạch lọc Cơng tắc S có chức điều khiển đóng ngắt dịng điện qua nó; đó, cơng tắc S phải linh kịên tự chuyển mạch transito (BJT, MOSFET, IGBT) , GTO dạng kết hợp thyristo chuyển mạch Nguyên lý hoạt động: Phần tử điều chỉnh quy ước khóa S ( van bán dẫn điều khiển ) + Trong khoảng từ đến T1 van dẫn điện, lượng nguồn cung cấp cho phụ tải, van lý tưởng Uz= E; dịng điện từ nguồn is cấp cho tải Z phải qua điện cảm Lư (điện cảm Lư động cơ) nạp lượng cho giai đoạn van S dẫn + Trong khoảng thời gian lại chu kỳ T, từ T1 đến hết chu kỳ điều khiển, van S khóa, điện cảm Lư phóng lượng tích lũy từ giai đoạn trước Dòng điện qua L chảy theo chiều cũ qua van đệm D, lúc Uz = - UD ≈ Như vậy, Uz ≤ E Ta có biến đổi hạ áp Dòng is, it, ut biểu diễn hình vẽ Tùy theo dạng tải tham số điều chỉnh mà chế độ dịng tải liên tục hay gián đoạn thiết bị chỉnh lưu Nhưng người ta thường mong muốn dòng liên tục q trình tính tốn phải cho dòng điện qua tải liên tục đáp ứng yêu cầu thực tế SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang GVHD: PGS-TS Đoàn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Công Suất 1.1.2.2 Bộ biến đổi xung áp tăng áp Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý đồ thị dạng sóng xung áp tăng áp Đặc điểm: Khi thực hãm tái sinh động điện chiều, lượng từ nguồn điện áp thấp (sức điện động Eư) trả lại nguồn điện áp lớn (nguồn chiều E), điều thực nhờ hoạt động tăng áp Điều kiện để mạch hoạt động Eư 𝑈𝑧 Điện áp tải lớn điện áp nguồn nên ta gọi tăng áp Đặc điểm biến đổi tiêu thụ lượng từ nguồn U chế độ liên tục lượng truyền tải dạng xung nhọn 1.1.2.3 Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp Sơ đồ nguyên lý Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý đồ thị dạng sóng xung áp tăng giảm áp SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang GVHD: PGS-TS Đoàn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Công Suất Đặc điểm: L1 đóng vai trị tích lũy lượng C đóng vai trò lọc Nguyên lý hoạt động: + Trong khoảng (0 ÷ T1) van S dẫn, cuộn dây trực tiếp nạp lượng từ nguồn E dòng is với quy luật tương tự băm xung kiểu song song Giai đoạn diode D khóa tải nhận lượng từ tụ điện C cần tụ C mắc song song với tải điện áp diode D phải chịu là: UD = E + UC = E + Utải + Trong khoảng (T1 ÷ T ) van S khóa, cắt nguồn E khỏi mạch, để trì điện theo chiều cũ sức điện động tự cảm cuộn kháng L đủ lớn để diode D dẫn Năng lượng tích lũy điện cảm phóng qua tải, tụ điện C nạp lượng giai đoạn Van S phải chịu điện áp là: Us = E + UC = E + UTải IZ ; IL IS IZ IZ Các giá trị dòng điện: I S 1 1 E0 I Z R0 U Z UC 1 2 R0 điện trở nguồn E Nếu bỏ qua R0 E Ud 1 U S E0 1 I Z R0 Vậy điện áp tải đảo dấu so với E Giá trị tuyệt đối |Uz| lớn nhỏ so với E nguồn 1.1.3 Phương pháp điều khiển biến đổi xung áp Điện trung bình đầu điều khiển theo mức mong muốn điện áp đầu vào số (ắc quy, pin ) biến thiên ( đầu chỉnh lưu) , tải thay đổi Với giá trị điện vào cho trước, điện trung bình đầu diều chỉnh theo hai cách Thay đổi độ rộng xung Thay đổi tần số băm xung Hình 1.5 Đồ thị dạng sóng băm xung chiều SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang Đồ án: Điện Tử Cơng Suất GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh 1.1.3.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung phương pháp thay đổi T1 giữ nguyên T Giá trị trung bình điện áp thay đổi độ rộng là: Uz = Trong γ= T1.E = γ.E T T1 hệ số lấp đầy ( tỉ số chu kì ) T Như theo phương pháp dải điều chỉnh Ura rộng (0 CR1 = Um 4Ung T= 10.0,2.10−3 4.5 = 10−4 s Chọn tụ C = 10 nF suy R1= 10 kΩ Mặt khác: R Ung = = = 0,5 => R = 0,5R R Um 10 Chọn R2= 10 kΩ suy R3= kΩ Dịch cưa để chuyển thành xung tam giác cực tính Chọn trước R5= kΩ, chọn giá trị +E = +12V ta có R4 R5 = Um E => R = Um E R5 = 12 103 = 2,083 kΩ Để kết hợp bảo vệ BXMC nhờ cắt xung điện áp điều khiển (Uđk=0), giá trị thấp cưa thường lấy khác Nếu chọn 0,1V R = 1,86 kΩ Vậy ta chọn R biến trở kΩ để điều chỉnh điện áp dịch xung tam giác cho điện áp thấp lớn không có biên độ khoảng 10 V 4.2.2 Khâu tạo điện áp điều khiển Mạch tạo điện áp điều khiển sử dụng biến trở mắc với nguồn áp E cố định để điều chỉnh điện áp mạch hạn chế gia tốc điện áp Hình 4.4 Sơ đồ tạo điện áp điều chỉnh SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang 47 GVHD: PGS-TS Đoàn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Công Suất Yêu cầu điện áp điều chỉnh Ucd = ÷ 10V chọn +E = 12V Ta sử dụng cầu chia điện áp có biến trở để cho phụ hợp với yêu cầu đặt Ta thay đổi điện áp điều khiển Ucd thông qua thay đổi biến trở P1 Sử dụng C2=2μF để đường đặc tính điện áp mượt Trong trình điều chỉnh lượng điện áp đặt biến thiên nhanh ( xoay biến trở từ vị trí đến max) thường làm điện áp băm xung tăng vọt theo, dòng tải đột biến dẫn đến hậu có hại cho thiết bị cho tải để tránh trường hợp ta đặt khâu hạn chế tốc độ tăng điện áp Để điện áp Ucd= ÷ 10V ta chọn R6= 2kΩ biến trở P1 biến trở tinh chỉnh có giá trị 10kΩ Ta có Ua= ÷ 10V Ngun lý mạch hạn chế gia tốc điện áp - Khuếch đại thuật toán OA3 kết hợp với R C tạo thành mạch tích phân điện áp điểm b sơ đồ Do có 1 Ub ∫ Ub dt Ucd = − ∫ ic (t) dt = − ∫ dt = − C C R8 R8C - Mặt khác điện áp điểm b (Ub) chịu ảnh hưởng trực tiếp điện áp vào Ua Ucd theo nguyên tắc điện áp hai nút: Ub = ( Ua R7 + Ucd R9 )/( R7 + R9 ) Chọn R = R suy Ub = 0,5(Ua +Ucd ) Từ ta thấy điện áp Ub = Ua = Ucd mạch tích phân dừng tích lũy Khi mạch đạt giá trị đặt vào gái trị trái dấu Như điện áp đầu vào biến động làm cho |Ua | ≠ |Ucd | điện áp Ub ≠ mạch tích phân hoạt động hoạt động điện áp đầu biến động bán theo điện áp đầu vào tốc độ tăng điện áp phụ thuộc vào trị số RC mạch tích phân Do điểm a có Diode đấu song song ngược D1, D2 nên đột biến thông thường sụp áp Diode, tức Ub = ±∆UD ta có Ucd = − ∫ ±∆UD dt R8C Như coi điện áp biến thiên tuyến tính thời gian để đầu đặt trị số đầu vào thời gian xác lập txl là: txl ∫ ±∆UD dt = Ub Ucd = − R8 C txl = Ub 0,7 R8C yêu cầu thời gian trễ xác lập 3s đột biến điện áp vào tối đa 10V ứng với ±∆Ucd= Ucdmax - Ucdmin Chọn C = 2μF theo cơng thức ta có R = 0,7.txl C.Ucd = 0,7.3 2.10−6 10 = 105 103 Ω=105kΩ Chọn điện trở tiêu chuẩn R =100kΩ SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 Trang 48 GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Cơng Suất 4.2.3 Khâu tự động điều chỉnh Khâu tự động điều chỉnh sử dụng mạch phản hồi qua PI mạch khuếch đại vi sai để điều chỉnh, sơ đồ sau: Hình 4.5 Sơ đồ tự động điều chỉnh Một điều khiển tích phân tỉ lệ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PI sử dụng phổ biến số điều khiển phản hồi Một điều khiển PI tính toán giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Với Ucd=0 ÷ −10V để dễ hiểu hoạt động PI ta ghi −|Ucd|=0 ÷ 10V Q trình tính tốn ta được: Uc = |Ucd| Uph R12 R12 |Ucd| − ∫( ) dt Uph + − R10 R11 C5 R10 R11 Chọn R10 = R11 ta Uc = R12 (|Ucd| − Uph) + ∫(|Ucd| − Uph) dt R10 R10C5 = Kp∆Uv + Ki ∫ ∆Uv dt Như điện áp điểm c bao gồm thành phần, phần P tác động theo sai lệch giữ hai đại lượng đầu vào ∆Uv với hệ số Kp thêm thành phần tích phân sai lệch với hệ số Ki Các hệ số Kp, Ki tính dựa vào quán tính hệ thống để đạt hiểu Để đơn giản đồ án em chọn Kp=1, Ki=1 Khi đó: Uc = ∆Uv + ∫ ∆Uv dt ∆Uv = |Ucd| − Uph Kp=1 => R12 Ki=1 => R10 = suy R12 = R10 R10C5 = suy R10 = C5 Chọn R10 = R11 = R12 = 10kΩ ; C5 = SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1 R10 =100μF Trang 49 GVHD: PGS-TS Đồn Quang Vinh Đồ án: Điện Tử Cơng Suất Do mạch điều chỉnh phải so sánh với điện áp cưa nên ta phải cộng điện áp Uc với Ucd Do Ucd điện áp âm Ucd=0 ÷ −10V nên ta dùng mạch khuếch đại vi sai Udk = (1 + = (1 + R16 R15 R13 R16 R14+R15 R15 )( R13 )( ) Uc − ) Uc + R14+R15 R16 R13 R16 R13 Ucd |Ucd| Chọn R13 = R16 = R14 = R15 = 10kΩ Vậy Udk = Uc + |Ucd| 4.2.4 Khâu hạn chế tham số điều chỉnh 𝛄 Hạn chế tham số điều chỉnh nhằm khống chế điện áp điều chỉnh phạm vi định trước tham số mặc định đầu vào γ = ÷ Điện áp nhỏ đặt biến trở P2 điện áp lớn đặt biến trở P3 Nguyên lý hoạt động mạch sau coi diode lý tưởng: Hình 4.6 Sơ đồ hạn chế tham số điều chỉnh Nếu điện áp Udkv nhỏ giá trị hạn chế Umin đặt P2 D3 dẫn, làm cho Udkr = Umin Từ với Udkv < Umin điện áp đầu giữ trị số Udkr=Umin Nếu điện áp Udkv lớn giá trị hạn chế Umax đến lượt D4 dẫn chốt điện áp giá trị Umax với Udk>Umax Các giá trị điện trở biến trở ko chọn đồ án Tùy vào điều kiện thực tế mà điều chỉnh cho phù hợp 4.2.5 Khâu so sánh tạo xung Điện áp cưa có giá trị max Urc=10V so sánh với điện áp điều chỉnh để tạo điện áp so sánh Uss Khâu so sánh hai đưa tín hiệu ngược Udk>Urc Uss=+U Udk