Thiết Kế Chế Tạo Bộ Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha.pdf

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH II
Tên đề tài: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
HƯNG YÊN - 2015

2. LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công
nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến
vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Để thúc đẩy nền kinh tế của đất nước
ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì
phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có
như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đến việc
hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp
sinh viên có khả năng thực tế cao.
Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo. Chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Thiết kế - Chế tạo bộ
điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha” nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá
trình thực tế.
Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Thành Long cùng với
sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu. Đến nay đồ án của
chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành. Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng
nhưng do trình độ còn hạn chế, kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót.
Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy
cô giáo trong khoa để đề tài của chúng em ngày càn hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Long cùng các thầy cô giáo
trong khoa đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài.
1

3. MỤC LỤC
2

4. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. Sơ lược về động cơ không đồng bộ 3 pha
1.1.1. Cấu tạo và đặc điểm
a. Cấu tạo:
Hình 1.1: Mô hình cắt bỏ của động cơ không đồng bộ 3 pha
Chú thích : 1: Vỏ máy
2: Khung sắt
3: Dây quấn
4: Trục động cơ
5: Lõi sắt
3

5. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stato) và
phần quay (Roto).
 Phần tĩnh (Stato)
Vỏ máy: Thường được làm bằng gang. Đối với máy có công suất lớn (1000kW),
thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. vỏ máy có tác dụng cố định và bảo vệ máy.
Khung sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0.35 đến 0.5mm
ghép lại với nhau. Vì khung sắt là phần từ, đồng thời từ trường đi qua khung sắt là từ
trường xoay chiều, nhằm giảm tồn hao do dòng điện xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật
điện đều được phủ sơn cách điện. Mặt trong của khung sắt được xẻ rãnh để đặt dây
quấn.
Dây quấn: Được đặt trong các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt. Dây quấn
stato gồm có 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200
điện.
 Phần quay (Roto)
Trục: Được làm bằng lõi thép để đỡ lõi sắt roto
Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần Stato. Lõi sắt được ép trực
tiếp lên trục.
b. Đặc điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha:
- Cấu tạo đơn giản
- Nối trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha
- Tốc độ quay của Roto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của Stato N < N1
Trong đó:
N: Tốc độ quay của Roto
N1: Tốc độ quay của từ trường quay
1.1.2. Nguyên lý làm việc và các đại lượng đặc trưng:
- Nguyên lý làm việc:
4

6. Khi nối dây quấn Stato vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽ sinh ra một
từ trường quay. Từ trường này quét qua các thanh dẫn Roto, làm cảm ứng trên dây
quấn Roto một sức điện động E2, từ đó sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn Roto.
Dòng điện I2 tác động tương hỗ với từ trường Stato tạo ra lực điện từ trên dây dẫn
Roto và momen quay làm cho Roto quay với tốc độ N theo chiều quay của từ trường.
Tốc độ quay của Roto N luôn luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Stato N1. Có
sự chuyển động tương đối giữa Roto và từ trường quay Stato duy trì được dòng điện I2
và momen. vì tốc độ của Roto khác với tốc độ của từ trường quay Stato nên gọi là động
cơ không đồng bộ.
- Các đại lượng đặc trưng
Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của Roto N và tốc độ quay
của từ trường quay N1.
S= (0 (1-1)
N1 = (1-2)
N = N1*(1 – S) (1-3)
Sức điện động:
Khi Roto đứng yên: E20 = 4.44*f20*K2*W2* m (1-4)
Khi Roto chuyển động: E2S = 4.44*f2S*K2*W2* m (1-5)
Trong đó:
K2: Hệ số cuộn dây
f20 = f1
f2S = S*f1
W2: Số vòng dây
m: Từ thông
Công suất:
5

7. Công suất điện đưa vào: P1 = *U*I*cos (1-6)
Tổn hao điện từ: Pdt
Tổn hoa sắt: Pst
Công suất điện từ: Pdt = M* 1 = M* = P1 - Pdt - Pst (1-7)
Tổn hao do dây quấn Roto: Pd2
Công suất cơ ở trục: P'2 = M* = Pdt - Pd2 (1-8)
Tổn hao do ma sát: Pms
Công suất cơ đưa ra: P2 = P'2 - Pms (1-9)
P2 = P1 - Pdt - Pst - Pd2 - Pms (1-10)
Hiệu suất: η = (0.8 , 0.9) (1-11)
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
1.2.1. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ.
Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho Sth thay đổi tỷ lệ
còn Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ.
6

8. Hình 1.3. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng
phương pháp thay đổi giá trị điện trở phụ
Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thay
đổi tỷ lệ, còn Mth = const, ta sẽ được một họ đặc tính cơ có chung ω0 , Mth, có tốc
độ khác nhau và có các tốc độ làm việc xác lập tương ứng.
Qua hình 1.1, ta có: Mth = const
Và: 0 < R2f1 < R2f2 < … < R2f.Ic < …
Sth.TN < Sth1 < Sth2 < … < Sth.Ic < …
ΔωTN < Δω1 < Δω2 < … < ΔωIc < …
ωTN > ω1 > ω2 > … > ωIc > …
Như vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc
tính cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí
khi R2f = R2f.Ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay được.
Và khi thay đổi các giá trị R2f.I > R2f.Ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không nghĩa
là không điều chỉnh được tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để.
* Các chỉ tiêu chất lượng của phương pháp:
Phương pháp này có sai số tĩnh lớn, nhất là khi điều chỉnh càng sâu thì s% càng
lớn, có thể s% > s% cp. Phù hợp với phụ tải thế năng, vì khi điều chỉnh mà giữ
dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi (M ~ Mc).
7

9. * Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ
động cơ điều khiển như trên có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ
động cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng (Mc = const).
* Nhược điểm: Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là điều chỉnh
không triệt để, khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn, phạm vi điều chỉnh
hẹp, điều chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở
phụ, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lượng trong quá trình điều chỉnh lớn.
Mặc dù vậy, phương pháp này thường được áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các
động cơ điều khiển truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều
chỉnh tốc độ không cao. Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lượng thì dùng phương
pháp “ xung điện trở ”.
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp Stato
Mômen động cơ điều khiển tỉ lệ với bình phương điện áp stato, nên có thể điều
chỉnh mômen và tốc độ động cơ điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ
tần số không đổi nhờ bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) như hình 1.2:
Hình 1.4. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ và đặc tính tốc độ của động cơ bằng
phương pháp thay đổi điện áp Stato.
Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tưởng (Zb = 0), khi Ub = Uđm thì mômen tới hạn
(Mth.U) tỉ lệ với bình phương điện áp, còn (Sth.U) = Const.
8

10. Mth.U = Mth.gh ( )2
= Mth.Ub2 (1-12)
Sth.U = Sth.gh = Const (1-13)
Để cải thiện dạng đặc tính điều chỉnh và giảm bớt mức phát nóng của động cơ,
người ta mắc thêm điện trở R2f (hình 1.1). Khi đó, nếu điện áp đặt vào stato là định
mức (Ub = U1) thì ta được đặc tính mềm hơn đặc tính tự nhiên, gọi là đặc tính giới
hạn.
Rõ ràng là: (Mth.gh) = Mth
Trong đó: Mth.gh, Sth.gh là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính giới hạn
Mth, Sth là mômen và hệ số trượt tới hạn của đặc tính tự nhiên
Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là
hàm tăng theo tốc độ như: máy bơm, quạt gió, … Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu,
điện kháng, hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm bộ ĐAXC cho động cơ.
1.2.3. Điều chỉnh tốc độ điều khiển bằng cách thay đổi số đôi cực
Theo quan hệ: ω = ω0(1 − s) = (1-14)
Trong đó: f1 là tần số lưới điện, P là số đôi cực.
Vậy thay đổi số đôi cực P, sẽ điều chỉnh được ω0 và sẽ điều chỉnh được ω. Để có
thể thay đổi được số đôi cực P, người ta phải chế tạo những động cơ đặc biệt, có
các tổ dây quấn stato khác nhau để tạo ra được P khác nhau, gọi là máy đa tốc.
+ Ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK bằng cách thay đổi
số đôi cực là thiết bị đơn giản, rẻ tiền, các đặc tính cơ đều cứng và khả năng điều
chỉnh triệt để (điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng).
9

11. Nhờ các đặc tính cơ cứng, nên độ chính xác duy trì tốc độ cao và tổn thất trượt
khi điều chỉnh thực tế không đáng kể.
+ Nhược điểm lớn của phương pháp này là có độ tinh kém, giải điều chỉnh không
rộng và kích thước động cơ lớn.
1.2.4. Điều chỉnh tốc độ ĐK bằng cách thay đổi tần số
- Vấn đề thay đổi tần số của điện áp stato.
Về nguyên lý, khi thay đổi tần số f1 thì ω0 = 2pf1/p sẽ thay đổi và sẽ điều chỉnh
được tốc độ động cơ. Nhưng khi thay đổi f1 và f1đm thì có thể ảnh hưởng đến chế độ
làm việc của động cơ.
Giả sử mạch stato: E1 ≈ CΦf1
Trong đó: E1 là sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato
Φ là từ thông móc vòng qua cuộn dây stato
C là hằng số tỉ lệ, f1 là tần số của dòng điện stato.
Nếu bỏ qua sự sụt áp trên tổng trở cuộn dây stato thì ta có:
U1 ≈ E1 ≈ CΦf1
Ta thấy: nếu thay đổi f1 mà giữ U1 = const thì ω sẽ thay đổi theo.
Hình 1.5. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thay đổi tần số
Khi thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ thì người ta thường kết hợp thay đổi
điện áp Stato U1 và dùng bộ biến đổi tần số (BT) để thay đổi tốc độ động cơ.
- Quy luật điều chỉnh điện áp stato khi thay đổi tần số:
10

12. Hình 1.6. Xác định khả năng quá tải về mômen khi điều chỉnh tần số: f1 < f1đm.
Khi λ = = const
Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato (R1 = 0) thì :
Mth = = ≈ K.
Trong đó, coi: Xnm = ωL; và ω0 = 2ωf1/p.
- Các đặc tính điều chỉnh tần số và điện áp stato:
11

13. Hình 1.5. Các dạng đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp stato với
các phụ tải khác nhau.
Khi phụ tải Mc = f=f1/2 (q = -1) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:
= const
Khi phụ tải Mc = const (q = 0) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:
= const
Khi phụ tải Mc = const (q = 1) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:
= const
12

14. Khi phụ tải Mc = const (q = 2) thì điều chỉnh tần số và điện áp stato theo quy luật:
= const
Kết luận: Sử dụng phương pháp biến đổi tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ.
1.3. Tổng quan về hệ thống biến tần
1.3.1. Khái niệm, phân loại biến tần
- Khái niệm:
Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần
số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có
tần số điều khiển được nhờ khóa điện tử.
- Phân loại biến tần:
+ Biến tần trực tiếp:
Còn gọi là biến tần phụ thuộc, thường dùng các nhóm chỉnh lưu, điều khiển mắc
song song ngược, cho xung lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta có thể nhận được
dòng điện xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U1 (f1) chỉ cần qua 1 van
là chuyển ngay ra tải với U2(f2)
Tuy nhiên đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp, chỉ sử dụng
cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số
f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1.
13

15. Hình 1.6. Cấu trúc của biến tần trực tiếp
+ Biến tần gián tiếp:
Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này, đầu tiên
điện áp được chỉnh lưu thành dòng 1 chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay
chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập ( quá trình thay đổi của f2 không phụ
thuộc vào f1).
Việc biến đổi 2 làn sẽ làm giảm hiệu suất của biến tần. Tuy nhiên việc ứng dụng
của hệ điều khiển dùng vi xử lý nên phát huy được tối đa các ưu điểm của loại biến
tần này và thường được sử dụng rộng rãi hơn.
14

16. Hình 1.7. Cấu trúc biến tần gián tiếp
Kết luận: Sử dụng biến tần gián tiếp để thực hiện đề tài.
1.3.2. Biến tần gián tiếp:
Do tính chất của từng bộ lọc nên biến tần được chia làm 2 loại:
+ Biến tần nguồn áp: là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều là nguồn
dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn
dạng điện áp trên tải thì phụ thuộc và các thông số của tải quy định.
+ Biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp 1 chiều
là nguồn áp, dạng của điện áp trên tải phụ thuộc vào dạng điện áp của nguồn. còn
dạng dòng điện trên tải thì phụ thuộc vào các thông số của tải quy định.
- So sánh 2 loại biến tần:
Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi 2 khóa bán dẫn trong cùng 1 nhánh của bộ
nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua 2
khóa được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây
ra sự cố ngắn mạch và làm hỏng van bán dẫn. Do đó có thể xem biến tần nguồn
dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp.
Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng về
nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh. Với bộ biến tần nguồn
áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện được cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh
lưu có điều khiển hoàn toàn.
15

17. Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể
hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt
động được ở chế độ này.
Bộ biến tần nguồn dòng sử dụng cuộn cảm L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra
nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến
tần nguồn áp kiểu PWM.
Với bộ biến tần nguồn áp, dễ dàng áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển đóng
ngắt các khóa bán dẫn. Kỹ thuật PWM cho phép giảm tổn thất sóng hà bậc cao gây
nên trên động cơ, không gây ra momen đạp làm rung động cơ ở tốc độ thấp. Tuy
nhiên kỹ thuật điều chế PWM lại khó áp dụng cho biến tần nguồn dòng, nếu có
cũng chỉ áp dụng cho tần số hoạt động thấp.
Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn
so với biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do sử dụng
cuộn cảm lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao.
Dải điều chỉnh của biến tần nguồn dòng thấp hơn so với dải điều chỉnh của biến
tần nguồn áp.
Kết luận: sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp cho đề tài.
1.3.3. Cấu trúc biến tần gián tiếp nguồn áp
Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp có ưu điểm tạo ra dạng dòng điện và điện áp dạng
sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.
Biến tần gián tiếp nguồn áp có 2 bộ phận riêng biệt:
+ Phần động lực:
Bộ phận chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều có tần số f1 về
dòng điện 1 chiều.
Bộ lọc: nó có tác dụng san bằng điện áp sau chỉnh lưu.
Bộ nghịch lưu: là bộ quan trọng nhất của biến tần. Nó có nhiệm vụ biến đổi dòng
điện 1 chiều nhận từ khối chỉnh lưu sang dòng xoay chiều với tần số f2.
+ Phần điều khiển:
16

18. Là bộ phận không thể thiếu, quyết định sự làm việc của mạch động lực. Để đảm
bảo yêu cầu về tần số, hình dạng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển
quyết định.
Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần:
Khâu phát xung chủ đạo: Là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ
phận phân phối xung điều khiển đến từng transistor . Khâu này đảm nhận điều
chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn có thể đảm nhiệm chức năng khuếch
đại xung.
Khâu phân phối xung: Làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu
phát xung chủ đạo.
Khâu khuếch đại trung gian: Có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ
phận xung đưa đến đảm bảo kích cỡ mở van.
1.4. Phần tử bán dẫn công suất lớn IGBT
1.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Hình 1.8: Cấu trúc và sơ đồ tương đương của IGBT
Transistor có cực điều khiển được cách ly (Insulated Gate Bipolar Transistor),
hay IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất được phát minh bởi Hans W.Beck và
Carl F.Wheatley vào năm 1982 . IGBT kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của
MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là
phần tử điều khiển bằng điện áp bằng điện áp. Do đó công suất điều khiển yêu cầu
sẽ rất nhỏ.
17

19. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm
1 lớp nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn PNP giữa Emiter với collector mà
không phải N-N như ở MOSFET . Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một
transistor PNP với dòng Base được điều khiển bởi 1 MOSFET.
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE>0, kênh dẫn với các hạt mang điện
là các điện tử được chia thành, giống trong cấu trúc MOSFET. Các điện tử di
chuyển về phía Collector vượt qua lớp tiếp giáp N-P tạo nên dòng Collector.
Hình 1.9: Ký hiệu của IGBT
1.4.2. Chế độ đóng ngắt
Do có cấu trúc đặc thù mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn ở dòng
IGBT thấp hơn so với ở MOSFET . Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gian
đóng ngắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET. Đặc biệt là khi khóa lại.
18

20. Hình 1.10: Đặc tính động của IGBT
19

21.  Phân tích đặc tính động của
IGBT
- Quá trình mở IGBT:
Quá trình mở IGBT xảy ra khi khóa K tại vị trí ON điện áp điều khiển tăng
từ 0 đến giá trị UG. Trong thời gian trễ khi mở tín hiệu điều khiển làm điện áp
giữa cực điều khiển và Emitor tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị ngưỡng
UGE, điện áp này vào khoảng từ 3-5V. Khi có đủ điện áp thì MOSFET trong
van IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa Colector và Emitor tăng theo quy
luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải ICM trong thời gian Tr. Trong thời gian Tr điện
áp giữa cực điều khiển và Emitor tăng đến giá trị UGE,ICM xác định giá trị
dòng IC qua Colector. Do diotde bảo vệ IGBT còn đang dẫn dòng tải ICM nên
điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều UDC. Tiếp theo quá
trình mở diễn ra hai giai đoạn Tđ(on),TR. Trong suốt hai giai đoạn này thì điện
áp giữa hai cực điều khiển và cực Emitor được giữ nguyên ở mức UGE,ICM để
duy trì dòng IC, do dòng điều khiển hoàn toàn nên IGBT vẫn làm việc trong chế
độ tuyến tính. Vì vậy trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khoá và phục hồi của
diode tạo nên xung dòng trên mức IC của IGBT. Khi đó điện áp UCE bắt đầu
giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hoà. Giai đoạn hai tiếp
diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của Colectơ dẫn đến điện trở
giữa Colectơ và Emitơ về giá trị RON thì khoá bão hoà.
- Quá trình khóa IGBT
Quá trình khoá bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG,
trong thời gian trễ khi khoá thì khi đó điện áp trên cực điều khiển và cực Emitor
giảm xuống nên điện áp GE giảm xuống UGE,Ic và được giữ không đổi do điện
áp UCE bắt đầu tăng lên. Điện áp UCE tăng bão hoà trong khoảng thời gian Tr.
Từ cuối khoảng Tr thì diode bắt đầu mở ra cho dòng ICT ngắn mạch chạy qua
do đó dòng Colector bắt đầu giảm. Quá trình này trải qua hai giai đoạn ban đầu
thì dòng chạy qua MOSFET nhanh chóng giảm xuống không và khi điện áp điều
khiển là -UG thì van được khoá hoàn toàn.
20

22.  Các thông số đặc trưng của IGBT
-Điện áp khóa Colector – Emitor (UCE): Là điện áp Colector – Emitor cực đại ở
trạng thái khóa khi đầu vào Emiter ngắn mạch. Sự đánh thủng quy định dòng điện
rò và thay đổi theo nhiệt độ với hệ số nhiệt dương.
-Điện áp cổng Emiter (UGE): Là điện áp cổng Emiter cực đại cho phép khi
Colector ngắn mạch với Emiter. Chiều dày và đặc tính lớp oxit ở cổng xác định
điện áp này. Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện Colector
khi bị sự cố.
-Dòng điện Colector một chiều (IC): Là dòng điện một chiều cần thiết để nhiệt
độ cực đại của chuyển tiếp không quá 150o
C, nhiệt độ vỏ 25o
C.
-Dòng điện đỉnh cực Colector lặp lại (ICM): Là dòng điện cực đại quá độ mà
IGBT có thể chịu được . Có trị số cao hơn dòng IC.
Ngoài ra còn một số các thông số khác:
- Thời gian trễ khi đóng (tđ)
- Thời gian tăng trưởng (tr)
- Thời gian trễ mở (t đ(off))
- Thời gian giảm (tf)
- Diện tích làm việc an toàn (SOA)
1.4.3. Vùng làm việc an toàn ( Safe Operating Area)
Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và
giá trị dòng điện lớn nhất mà các phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ,
khi dẫn, khi khóa. SOA của IGBT được biểu diển ở hình 1.10.
Trong hình 1.10 (A ) khi điện áp đặt lên cực điều khiển Emitor là dương (+) và ở
2 cực còn lại là âm (-), diện tích làm việc an toàn (SOA) có dạng hình chữ nhật với
góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn.
Điều này có nghĩa là khi chu kỳ đóng ngắt càng ngắn ứng với tần số làm việc càng
cao thì khả năng đóng ngắt công suất ngày càng suy giảm. Khi đặt điện áp điều
21

23. khiển âm lên cực điều khiển Emiter, diện tích làm việc an toàn (SOA) lại bị giới
hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ xuất hiện dòng điện lớn
đưa vào vùng P của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT
mở trở lại như tác dụng đối với thyristor. Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng
áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với các phần tử bán dẫn công suất khác.
Giá trị lớn nhất của dòng cho phép Collector được chọn sao cho tránh hiện
tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được giống như ở thyristor. Hơn nữa điện áp
điều khiển lớn nhất UGE cũng phải được chọn để có thể giới hạn được dòng điện ICE
trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện có sự cố ngắn mạch bằng cách
chuyển đổi từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dòng ICE được giới
hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp UCE lúc đó. IGBT phải được khóa lại
trong điều kiện đó càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh.
- Yêu cầu với tín hiệu điều khiển
IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp giống như MOSFET nên yêu cầu phải
có điện áp liên tục trên các cực điều khiển và Emiter để xác định chế độ đóng, ngắt.
Mạch điều khiển IGBT tối thiểu như hình sau:
Hình 1.11: Mạch điều khiển IGBT
22

24. 1.4.4. Bảo vệ IGBT
Thông thường IGBT được sử dụng trong các mạch có tần số đóng cắt rất cao từ
2 đến hàng chục kHz. Với tần số cao như vậy, những sự cố có thể sẽ xảy ra rất
nhanh và làm hỏng các van IGBT và cả thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất đó là quá
dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía các phần tử của bộ điều khiển.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy
nhiên khi quá tải do dòng điện làm cho IGBT thoát khỏi chế độ bão hòa dẫn đến
công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy các phần tử rất nhanh (chỉ sau vài chu
kì đóng ngắt). Mặt khác, khi khóa IGBT lại trong 1 thời gian rất ngắn khi dòng điện
rất lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng quá lớn gây quá áp trên Collector, Emiter sẽ đáng
thủng IGBT.
Diode D1 được mắc như trên hình 1.11 có tác dụng chống dòng ngược khi IGBT
hoạt động để bảo vệ IGBT. Ngoài ra 2 diode zener được mắc giữa cực điều khiển
và cực Emiter nhằm ghim (ổn định) điện áp cho cực điều khiển.
Trong sự cố quá dòng, ta không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung
ngắn theo quy luật cũ nữa. Nhưng cũng không đơn giản là ngắt dòng điện để ngắt
xung điều khiển dập tắt dòng điện được.
=> Có thể ngăn chặn hậu quả quá dòng cho IGBT bằng cách sử dụng các mạch
dập RC mắc song song với các phần tử. Giải pháp tối ưu nhất là làm chậm lại quá
trình ngắt của IGBT hay còn được gọi là khóa mềm (soft turn – off) khi phát hiện
có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.
Tín hiệu mở có biên độ Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch
GE qua điện trở Rg (Hình 1.11) . Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức
khoảng +-18V.
1.5. Điều chỉnh và nâng cao chất lượng bộ điều khiển
1.5.1. Phương pháp biến tần cổ điển
Nghịch lưu áp 3 pha được ghép từ 3 sơ đồ nghịch lưu 1 pha có điểm trung tính
Giả thiết: Các van là lý tưởng
Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo 2 chiều
23

25. + Các van động lực cơ bản: T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với chế độ dẫn điện
= 180, Za = Zb = Zc
Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn
Tụ C đảm bảo nguồn áp và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
 T1, T4 lêch nhau 1800
để tạo ra pha A
 T3, T6 lệch nhau 1800
để tạo ra pha B
 T2, T5 lệch nhau 1800
để tạo ra pha C
 Mỗi pha lệch nhau 1200
1.5.2. Biến tần đa bậc
Về cơ bản, biến tần đa bậc gồm dãy các linh kiện bán dẫn công suất và các
nguồn áp phụ thuộc và bậc của biến tần. Thuận lợi của biến tần đa bậc so với biến
tần 2 bậc truyền thống là điện áp đầu ra sẽ được cải thiện tốt hơn, số bậc điện áp ra
nhiều hơn. Vì vậy biến tần có bậc càng cao thì điện áp ra càng giảm. Bộ lọc điện áp
ở biến tần sẽ nhỏ hơn, điện áp chịu đựng và tần số đóng cắt sẽ giảm. Tuy nhiên độ
phức tạp của biến tần cũng tăng lên.
1.5.3. Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modules)
+ Chỉ số điều chế: là tỷ số giữa biên độ V1m của thành phần cơ bản (hài bậc 1) của
áp ra bộ nghịch lưu được khảo sát và biên độ thành phần cơ bản của áp ra khi điều
khiển 6 mức.
M = =
+ Điều chế độ rộng xung 1 pha: Phương pháp so sánh áp chuẩn hình sin UCE tần
số f0 sóng mang UC tần số fC để có luật đóng ngắt các nhánh cầu nghịch lưu.
Chỉ số điều chế M trở nên phi tuyến khi Vpm > Vrm. hệ số chỉ tuyến tính khi
M<0.785
24
Tải bản FULL (49 trang): https://bit.ly/3v5LUmb
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

26. + Điều chế độ rộng xung 3 pha
Hình 1.12. Điều chế độ rộng xung 3 pha
Phương pháp điều biến độ rộng xung trên hay còn gọi là phương pháp Sin PWM
(SPWM)
1.5.4. Xây dựng công thức tính giá trị sin
Trong cùng 1 chu kỳ, độ rộng xung được liên tục thay đổi theo từng vị trí để tạo
nên dạng điện áp ra hình sin.
25
Tải bản FULL (49 trang): https://bit.ly/3v5LUmb
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

27. Tùy thuộc vào độ rộng xung mà sẽ có những giá trị của bảng sin khác nhau. Từ
đó cho ta thấy bảng sin sẽ làm thay đổi độ rộng xung.
Dạng sóng sin có phương trình:
X = Asin(wt)
Trong đó: + A là biên độ của sóng sin
+ ωt là góc pha ( từ 0 đến 360 độ)
Giá trị của sin được chạy từ [-1;1]. Vậy khi sin = 1 thì x = A tức khi sin đi qua
góc 90 độ và sinx =-1 thì x = -A khi sin đi qua góc 270 độ.
Dựa vào công thức của Sin trên ta tính toán ra công thức cho bảng Sin:
A là biên độ và là giá trị lớn nhất cho vào thanh ghi điều khiển độ rộng xung của
vi xử lý để PWM = 100 như vậy các giá trị còn lại sẽ nhỏ hơn A vì Sin = [-1,1].
Hình 1.13: dạng sóng sin
Do các giá trị đặt vào thanh ghi điều chế độ rộng xung của vi xử lý là các giá trị
dương nên ta sẽ có công thức tổng quát như sau:
Giá trị bảng sin = A/2Sin(2*3.14*i/n) + A/2
Trong đó:
+ A là biên độ của sóng sin tức là giá trị lớn nhất đặt vào thanh ghi PWM để cho
PWM = 100%
26
3476800