Đồ án Nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất sử dụng trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

ISO 9001:2015

NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ THỐNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ THỐNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Sinh viên

Đào Văn Phán

Giảng viên hướng dẫn :GSTSKH Thân Ngọc Hoàn

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG

--------------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Sinh viên: Đào Văn Phán - Mã SV: 1512102053

Lớp: DC1901 - Ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp

Tên đề tài: Nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất sử dụng

trong công nghiệp

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp

( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).

……………………………………………………………………………..

2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán.

……………………………………………………………………………..

3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp.

……………………………………………………………………………..

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ và tên

: GSTSKH Thân Ngọc Hoàn

Học hàm, học vị

: Giáo sư Tiến sĩ Khoa Học

Cơ quan công tác : Trường Đại Học Quản Lý và Công Nghệ Hải Phòng

Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài

Người hướng dẫn thứ hai:

Họ và tên:.............................................................................................

Học hàm, học vị:...................................................................................

Cơ quan công tác:.................................................................................

Nội dung hướng dẫn:............................................................................

Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm

Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN

Đã giao nhiệm vụ ĐTTN

Người hướng dẫn

Sinh viên

Đào Văn Phán

GSTSKH Thân Ngọc Hoàn

Hải Phòng, ngày ...... tháng........năm 2019

Hiệu trưởng

GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP

Họ và tên giảng viên:

Đơn vị công tác:

..............................................................................................

........................................................................ .....................

...................................... Chuyên ngành: ..............................

......................................................................... .......... ..........

Họ và tên sinh viên:

Đề tài tốt nghiệp:

Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp

...........................................................................................................................................

1. Đánh giá chất lượng của đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra

trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu…)

....................................................................................................................................

2. Ý kiến của giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày … tháng … năm ......

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN

Họ và tên giảng viên: ...............................................................................................

Đơn vị công tác: .......................................................................................................

Họ và tên sinh viên: ...................................... Chuyên ngành: .................................

Đề tài tốt nghiệp: ......................................................................................................

1. Phần nhận xét của giáo viên chấm phản biện

..........................................................................................................................................

2. Những mặt còn hạn chế

...........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................

3. Ý kiến của giảng viên chấm phản biện

Được bảo vệ

Không được bảo vệ

Điểm hướng dẫn

Hải Phòng, ngày … tháng … năm ......

Giảng viên chấm phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Chương 1 :.............................................................................................................. 3

CÁC LINH KIỆN ĐIỆ N T Ử CÔNG SUẤ T ........................................................ 3

1.2 DIODE CÔNG SUẤ T..................................................................................... 4

1.2.1 Nguyên lý cấ u t ạo và làm việ cv ới công suấ t c ủ a ngu ồn và tả i .................... 4

1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A).................................................................. 5

1.2.3 Tr ạng thái đóng ngắ t .................................................................................... 6

1.2.4 Các tính chất độ ng........................................................................................ 6

1.2.5 M ạ ch b ả o v ệ diode ....................................................................................... 7

1.2.6 Các đại lượng đị nh m ứ c c ủ a diode............................................................... 8

1.3 BJT CÔNG SUẤ T (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR).......................... 8

1.3.1 Nguyên lý cấ u t ạo và làm việ c ..................................................................... 9

1.3.2 Đặc tính V -A trong m ạch có Emitter chung .............................................. 10

1.3.3 Tr ạng thái đóng ngắ t .................................................................................. 11

1.3.4 Các tính chất độ ng...................................................................................... 11

1.3.5 Các đại lượng đị nh m ứ c c ủ a transistor....................................................... 12

1.3.6 M ạch kích và bả o v ệ cho transistor............................................................ 12

1.4 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) .......... 16

1.5 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .................................................... 19

1.6 SCR (Silicon Controlled Rectifier )............................................................... 21

1.6.1 Mô tả và chức năn g .................................................................................... 21

1.6.2 Các tính chất và trạng thái cơ bả n .............................................................. 22

1.6.3 Đặc tính V -A .............................................................................................. 23

1.6.4 Kh ả năng mang tả i...................................................................................... 24

1.6.5 M ạ ch kích SCR .......................................................................................... 24

1.6.6 M ạ ch b ả o v ệ SCR....................................................................................... 26

1.7 TRIA C ........................................................................................................... 27

1.7.1 Đặc điể m c ấ u t ạ o ........................................................................................ 27

1.7.2 Đặc tính V -A .............................................................................................. 28

1.8 GTO............................................................................................................... 29

1

CHƯƠNG 2:........................................................................................................ 31

CÁC BỘ CH ỈNH LƯU CÓ ĐIỀ U KHI ỂN DÙNG ĐIỆ N T Ử CÔNG SUẤ T .. 31

2.1 T Ổ NG QUAN V Ề M ẠCH ĐIỀ U KHI Ể N.................................................... 31

2.2 CH ỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀ U KHI Ể N ............................................... 32

2.2.1 Ch ỉnh lưu nử a chu k ỳ có điề u khi ể n .......................................................... 32

2.3 CH ỈNH LƯU BA PHA CÓ ĐIỀ U KHI Ể N .................................................. 35

2.3.1 Ch ỉnh lưu ba pha hình tia có điề u khi ể n .................................................... 35

2.3.2 Ch ỉnh lưu ba pha hình cầu có điề u khi ể n................................................... 39

Chương 3 :........................................................................................................... 43

ĐỘ TIN C Ậ Y C Ủ A H Ệ TH ỐNG ĐIỆN ĐIỆ N T Ử C Ộ NG SU ẤT DÙNG

TRONG CÔNG NGHIỆ P ................................................................................... 43

3.1 M ỘT TƯƠNG LAI CÔNG NGHIỆ P ........................................................... 43

3.2 Ứ NG D ỤNG ĐIỆ N T Ử CÔNG SUẤT VÀO CÔNG NGHIỆ P .................. 45

3.3 ĐỘ TIN C Ậ Y Ứ NG D Ụ NG C Ụ TH Ể C ỦA CÁC THÀNH PHẦ N ............ 47

3.4 YÊU CẦ U TU Ổ I TH Ọ ................................................................................. 48

3.5 CƠ CHẾ K HÔNG THÀNH PHẦ N.............................................................. 54

3.6 TI ỀM NĂNG ĐỂ C Ả I THI ỆN ĐỘ TIN C Ậ Y ............................................. 55

KẾT LUẬN :....................................................................................................... 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 66

2

Chương 1:

Lời mở đầu :

Kỷ nguyên của Truyền động điện có thể coi như bắt đầu từ thế kỷ 19 khi

Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ năm 1888. Từ đó, động cơ điện dần

dần thay thế động cơ hơi nước, vốn được coi là động lực cho cách mạng công

nghiệp lần thứ nhất (thế kỷ 18) và lần thứ hai (thế kỷ 19).

Sự ra đời của các van bán dẫn công suất lớn như diode, BJT, thyristor, triac và

tiếp đó là IGBT thực sự mang đến cho truyền động điện một sự biến đổi lớn về

chất và lượng. Bài nghiên cứu nhằm mục đích phân loại tìm hiểu độ tin cậy cảu

điện tử công suát đối với ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng như hiện

nay.

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1 PHÂN LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

- Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và

NGẮT dòng điện đi qua nó.

- Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện

trở có giá trị rất bé (gần bằng không).

- Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một

điện trở có giá trị rất lớn.

- Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc từ trạng

thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích

thích tác động lên cổng điều khiển của linh kiện. Ta gọi linh kiện có điều khiển

được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công

suất nhỏ hơn nhiều so

3

- Nếu linh kiện không có cổng điều khiển và quá trình chuyển trạng thái

làm việc xảy ra dưới tác dụng của nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kiện thộc

loại khôngđiều khiển được.

-

Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khiển chỉ là

cho nó dẫn dòng điện mà không thể tác động ngắt dòng điện qua nó, ta gọi linh

kiện không có khả năng kích ngắt (SCR, TRIAC). Ngược lại, nếu linh kiện có

thể chuyển trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay từ ngắt sang đóng thông

qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển gọi là linh kiện có khả năng

kích ngắt (BJT, MOSFET, IGBT,GTO…).

Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau :

- Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC.

- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC.

- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET,

IGBT, GTO.

1.2 DIODE CÔNG SUẤT

1.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việcvới công suất của nguồn và tải.

Hình H1.2.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b)

Diode được cấu tạo bằng mối nối P-N, lớp N thừa điện tử, lớp P thiếu

điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống tạo ra hàng rào điện

thế vào khoảng 0,6 V.

4

Hình H1.2.1a : Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode

a) phân cực thuận b) phân cực ngược

Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn

với lớpN

(hình H1.2.1a.a), khi đó điện tử được chuyển từ lớp N qua lớp P. Còn các

hạt mang điện được chuyển từ lớp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện

chạy qua diode.

Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực

âm gắn với lớp P – hình H1.2.1a.b), điện tử và phần tử mang điện dạng lỗ trống

và các điện tử tự do bị kéo ra xa mối nối, kết quả chỉ có dòng điện rò vào

khoảng vài mA có thể chạy qua.

Khi điện áp ngược tiếp tục tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va

chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng và diode mất tính chất

dẫn điện theo một chiều (diode bị hỏng).

Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K).

1.2.2 Đặc tính Volt – Ampere (V – A)

5

Hình H1.2.2: Đặc tính V – A thực tế (a) và lý tưởng(b)

Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng với trạng thái dẫn điện

(nằm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng với trạng thái ngắt (nằm ở góc

phần tư III) như trên hình H1.2.2. Trong đó, hình H1.2.2a là đặc tính V – A thực

tế, hình H1.2.2b là đặc tính lý tưởng.

Giải thích các ký hiệu :

- U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V 0,6V tùy theo chất bán dẫn.-

UF: điện áp thuận của diode

-

UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng)

IF: dòng điện thuận chạy qua diode.

1.2.3 Trạng thái đóng ngắt

Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì

diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện).

UAK> U0: diode dẫn điện.

UAK< U0: diode ngưng dẫn.

Ta xét với trường hợp diode lý tưởng :

UAK> 0: diode dẫn điện.

UAK< 0: diode ngưng dẫn.

1.2.4 Các tính chất động

6

Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện

sang trạng thái ngắt.

Hình H1.2.4: Quá trình chuyển mạch của

Trong khoảng [0t₀] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF

t

Tại thời điểm

0

diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0.

tt

Khi

1

: dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên

diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại.

tt

Khi

ngược.

Khi

1.2.5 Mạch bảo vệ diode

2

: các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp

tt

3

: dòng ngược giảm về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc.

7

Hình H1.2.5: Mạch bảo vệ diode

Để hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng quá áp và bảo vệ cho diode công

suất, ta mắc song song với diode mạch lọc RC.Tuy nhiên, các diode công suất

trên thực tế đã tích hợp sẳn mạch RC.

1.2.6 Các đại lượng định mức của diode

Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (URM) có thể lặp lại tuần

hoàn trêndiode.

Dòng điện định mức: là dòng điện thuận lớn nhất (IFM) chạy qua diode

mà không làm cho diode bị hỏng.

Để tăng khả năng chịu áp tải ta ghép nối tiếp các diode, để tăng khả năng

chịu dòng tải ta ghép song song các diode.

Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.2.6.

Hình H1.2.6: Một số diode trên thực tế.

1.3 BJT CÔNG SUẤT (BIPOLAR JUNTION TRANSISTOR)

8

1.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc

Transistor được cấu tạo bởi cấu trúc 3 lớp dạng n-p-n (hình H1.3.1a) hoặc

p-n-p (hình H1.3.1b).Nhưng dạng n-p-n được sử dụng nhiều hơn vì loại này có

kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện.

Transistor có 3 cực: cực Base (B), cực Collector (C) và cực Emitter (E) và

là linh kiện được điều khiển hoàn toàn thông qua cực B và E. Mạch công suất

nối giữa 2 cực C và E.

Ký hiệu của transistor như trên hình H1.3.1a

Hình H1.3.1: Nguyên lý cấu tạo của transistor

Hình H1.3.1a : Ký hiệu của transistor

Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT được sử dụng như một

công tắc đóng ngắt các mạch điện, phần lớn sử dụng loại NPN và mắc theo dạng

mạch có Emitter chung (hình H1.3.1 b )

9

Trên hai cực B và E là điện áp điều khiển uBE.Các điện cực C, E được sử

dụng làm công tắc đóng ngắt mạch công suất. Điện áp điều khiển phải có tác

dụng tạo ra dòng iB đủ lớn để điện áp giữa hai cực C và E đạt giá trị bằng không

(uCE=0).

Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện iB.

Hình H1.3.1b : Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung

1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung

Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình

H1.3.2a (đặc tính thực tế) và hình H1.3.2b (đặc tính lý tưởng).

Hình H1.3.2: Đặc tính V-A ngõ ra của mạch E

10

Đặc tính ngõ ra: biểu diễn quan hệ của các đại ngõ ra iC = f(uCE), thông số biến

thiên là dòng kích iB. Các đặc tính ngõ ra được vẽ cho các giá trị khác nhau của

iB.

Đường thẳng biểu diễn UCE = U - ICRC là đường đặc tính tải. Giao điểm

của đường này với các đặc tính ngõ ra sẽ xác định điểm làm việc của transistor.

Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng

bảo hòa và vùng tích cực.

Vùng nghịch: iB= 0, transistorởtrạng thái ngắt. Dòng iCcó giá

trịnhỏkhôngđáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò.

Vùng bảo hòa: là vùng giới hạn xác định bởi điện thếUCE=

UCE(sat)nhỏnhất cóthể đạt được ứng với giá trị IC cho trước và vùng giới hạn

bởi đường đặc tính khi

I B= 0.

Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên

hình H1.3.2a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt

dòng điện.

Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt độngởchế độkhuếch đại tín hiệu.

1.3.3 Trạng thái đóng ngắt

IB ≥ IB(sat) : BJT đóng.

IB = 0: BJT ngắt.

Với IB(sat) là dòng điện IB bảo hòa. Để đơn giản, ta thường xét điều kiện

đóng ngắt của transistor ở điều kiện lý tưởng.

IB> 0 : BJT đóng.

IB = 0: BJT ngắt.

1.3.4 Các tính chất động

Quá trình dòng collector IC có dạng xung vuông như trên hình H1.3.4b.

Thời gian đóng ton kéo dài khoảng vài µs, thời gian ngắt hơn 10µs.

11

Hình H1.3.4: Quá trình chuyển mạch của transistor

Quá trình chuyển mạch tạo nên công suất tổn hao do đóng ngắt của

transistor. Công suất tổn hao làm giới hạn tần số hoạt động của transistor.Khi

đóng ngắt, dòng điện qua transistor lớn và điện áp ở mức cao nên giá trị tức thời

của công suất tổn hao lớn.

Quá trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí NGẮT đến vị trí ĐÓNG

(hoặc ngược lại) được mô tả như trên hình H1.3.4a.Quá trình này kéo dài trong

thời gian ton hoặc toff.

1.3.5 Các đại lượng định mức của transistor

Định mức điện áp: giá trị điện áp cực đại trên hai cực C, E khi iB= 0 và

trên haicực B, E khi iC = 0. Các giá trị này là giá trị tức thời.

Định mức dòng điện: là giá trịcực của các dòng điện iC, iE, và iB. Đó là

các giá trịcực đại tức thời của transistor khi đóng trong trạng thái bảo hòa.

Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo ra chủyếu trên cực C.

PC = UCE.IC.Công suất tổn hao làm cho transistor nóng lên.Khi

transistor làm việc, nhiệt độ sinh ra trên transistor không được vượt quá giá trị

nhiệt độ cho phép, thường là 1500C.

1.3.6 Mạch kích và bảo vệ cho transistor

a. Điều khiển kích đóng:

12

Sơ đồ mạch và giản đồ xung kích như trên hình 1.3.6.Khi xung điện áp

UB được đưa vào, dòng điện qua cổng B bị giới hạn bởi điện trở R1.

Hình 1.3.6: Sơ đồ mạch kích và giản đồ xung kích

b. Điều khiển ngắt:

Khi điện áp UB giảm xuống giá trị âm U2< 0, trên hai cực B, E xuất hiện

điện áp ngược bằng tổng điện áp UB và UC.

Sau khi tụ C xả hết, điện áp trên BE xác lập bằng U2< 0 nên transistor bị

kíchngắt.

Thí dụ sơ đồ mạch kích

Hình H1.3.6a Một dạng sơ đồ mạch kích cho transistor

13