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 ĐI HC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG  
ISO 9001:2015  
NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CY CỦA CÁC HỆ THNG  
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SDỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP  
ĐỒ ÁN TT NGHIỆP ĐẠI HC HỆ CHÍNH QUY  
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP  
HẢI PHÒNG - 2019  
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  
TRƯỜNG ĐẠI HC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG  
NGHIÊN CỨU ĐỘ TIN CY CỦA CÁC HỆ THNG  
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SDỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP  
ĐỒ ÁN TT NGHIỆP ĐẠI HC HỆ CHÍNH QUY  
NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP  
Sinh viên  
Đào Văn Phán  
Giảng viên hướng dn :GSTSKH Thân Ngọc Hoàn  
HẢI PHÒNG - 2019  
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  
TRƯỜNG ĐẠI HC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHÒNG  
--------------------------------------  
NHIM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIP  
Sinh viên: Đào Văn Phán - Mã SV: 1512102053  
Lp: DC1901 - Ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp  
Tên đề tài: Nghiên cứu độ tin cy ca hthống điện tử công suất sdng  
trong công nghiệp  
NHIM VỤ ĐỀ TÀI  
1. Nội dung và các yêu cầu cn gii quyết trong nhim vụ đề tài tốt nghip  
( về lý luận, thc tiễn, các số liu cần tính toán và các bản v).  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
2. Các số liu cn thiết để thiết kế, tính toán.  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
3. Địa điểm thc tp tt nghip.  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
……………………………………………………………………………..  
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIP  
Người hướng dn thnht:  
Họ và tên  
: GSTSKH Thân Ngọc Hoàn  
Học hàm, học vị  
: Giáo sư Tiến sĩ Khoa Học  
Cơ quan công tác : Trường Đại Hc Quản Lý và Công Nghệ Hải Phòng  
Nội dung hướng dn : Toàn bộ đề tài  
Người hướng dn thhai:  
Họ và tên:.............................................................................................  
Học hàm, học v:...................................................................................  
Cơ quan công tác:.................................................................................  
Nội dung hướng dn:............................................................................  
Đề tài tốt nghiệp được giao ngày tháng năm  
Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm  
Đã nhận nhim vụ ĐTTN  
Đã giao nhiệm vụ ĐTTN  
Người hướng dn  
Sinh viên  
Đào Văn Phán  
GSTSKH Thân Ngọc Hoàn  
Hải Phòng, ngày ...... tháng........năm 2019  
Hiệu trưởng  
GS.TS.NGƯT Trn Hu Nghị  
CNG HÒA XÃ HI CHNGHĨA VIT NAM  
Độc lp - Tdo - Hnh phúc  
PHIU NHN XÉT CA GING VIÊN HƯỚNG DN TT NGHIP  
Họ và tên giảng viên:  
Đơn vị công tác:  
..............................................................................................  
........................................................................ .....................  
...................................... Chuyên ngành: ..............................  
......................................................................... .......... ..........  
Họ và tên sinh viên:  
Đề tài tốt nghiệp:  
Tinh thn thái độ ca sinh viên trong quá trình làm đề tài tt nghip  
...........................................................................................................................................  
...........................................................................................................................................  
...........................................................................................................................................  
...........................................................................................................................................  
1. Đánh giá cht lượng ca đồ án/khóa lun (so vi ni dung yêu cu đã đề ra  
trong nhim vụ Đ.T. T.N trên các mt lý lun, thc tin, tính toán sliu)  
....................................................................................................................................  
....................................................................................................................................  
....................................................................................................................................  
....................................................................................................................................  
....................................................................................................................................  
2. Ý kiến ca ging viên hướng dn tt nghip  
Được bo vệ  
Không được bo vệ  
Điểm hướng dn  
Hải Phòng, ngày … tháng … năm ......  
Giảng viên hưng dn  
(Ký và ghi rõ họ tên)  
CNG HÒA XÃ HI CHNGHĨA VIT NAM  
Độc lp - Tdo - Hnh phúc  
PHIU NHN XÉT CA GING VIÊN CHM PHN BIN  
Hvà tên ging viên: ...............................................................................................  
Đơn vcông tác: .......................................................................................................  
Hvà tên sinh viên: ...................................... Chuyên ngành: .................................  
Đề tài tt nghip: ......................................................................................................  
1. Phn nhn xét ca giáo viên chm phn bin  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
2. Nhng mt còn hn chế  
...........................................................................................................................................  
...........................................................................................................................................  
...........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
..........................................................................................................................................  
3. Ý kiến ca ging viên chm phn bin  
Được bo vệ  
Không được bo vệ  
Điểm hướng dn  
Hi Phòng, ngày tháng năm ......  
Ging viên chm phn bin  
(Ký và ghi rõ htên)  
MC LC  
1
2
Chương 1:  
Li mở đầu :  
Kỷ nguyên của Truyền động điện có thể coi như bắt đầu tthế k19 khi  
Tesla phát minh ra động cơ không đồng bộ năm 1888. Từ đó, động cơ điện dn  
dn thay thế động cơ hơi nước, vốn được coi là động lực cho cách mạng công  
nghip ln thnht (thế kỷ 18) và lần thhai (thế k19).  
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 mt sbiến đổi ln về  
chất và lượng. Bài nghiên cứu nhm mục đích phân loại tìm hiểu độ tin cy cu  
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 SUT  
- 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 kin 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 (NGT): linh kin giống như một  
điện trở có giá trị rt ln.  
- Các linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi trạng thái làm việc ttrng  
thái dẫn điện sang trạng thái không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích  
thích tác động lên cổng điều khin ca linh kin. Ta gi linh kiện có điều khin  
được. Tín hiệu điều khiển có thể là dòng điện, điện áp hay ánh sáng với công  
sut 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 ca nguồn công suất ở ngõ ra, ta gọi linh kin thc  
loại khôngđiều khiển được.  
-
Đối với các linh kiện điều khiển được, nếu tín hiệu điều khin 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 li, nếu linh kiện có  
thchuyn trạng thái làm việc từ đóng sang ngắt hay tngắt sang đóng thông  
qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khin 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 ca nguồn và tải.  
Hình H1.2.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b)  
Diode được cu to bng mi ni P-N, lp N thừa điện t, lp P thiếu  
điện tử đồng thời chứa các phần tử mang điện dng ltrng 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 thun b) phân cực ngược  
Khi ta đặt mt điện áp lên diode, cực dương gắn vi lớp P và cực âm gắn  
vi lpN  
(hình H1.2.1a.a), khi đó điện tử đưc chuyn tlp N qua lớp P. Còn các  
hạt mang điện được chuyn tlp P sang lớp N và như vậy có một dòng điện  
chy qua diode.  
Khi điện áp ngược được đặt lên diode (cực dương gắn vi lớp N và cực  
âm gắn vi lp P – hình H1.2.1a.b), điện tử và phần tử mang điện dng ltrng  
và các điện ttdo bị kéo ra xa mối ni, kết quchỉ có dòng điện rò vào  
khoảng vài mA có thể chy qua.  
Khi điện áp ngược tiếp tc tăng các điện tích cũng tăng gia tốc gây lên va  
chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bchc thủng và diode mất tính chất  
dẫn điện theo mt chiu (diode bhng).  
Trên hình vẽ, đầu ra ca lp 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 thc tế (a) và lý tưởng(b)  
Đặc tính có hai nhánh: nhánh thuận tương ứng vi trạng thái dẫn điện  
(nm ở góc phần tư I) và nhánh nghịch tương ứng vi trạng thái ngắt (nm ở góc  
phần tư III) như trên hình H1.2.2. Trong đó, hình H1.2.2a là đặc tính V – A thc  
tế, hình H1.2.2b là đặc tính lý tưởng.  
Giải thích các ký hiệu :  
- U0: điện áp khóa của diode, U0 = 0,3V0,6V tùy theo chất bán dẫn.-  
UF: điện áp thuận ca diode  
-
-
UR: điện áp ngược của diode (điện áp đánh thng)  
IF: dòng điện thun chy 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 sdẫn 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 ttrạng thái dẫn điện  
sang trạng thái ngắt.  
Hình H1.2.4: Quá trình chuyển mch ca  
Trong khong [0t0] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận IF  
t
Tại thời điểm  
0
diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) gim dn v0.  
tt  
Khi  
1
: dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên  
diode tiếp tc dn với dòng có chiều ngược li.  
tt  
Khi  
ngưc.  
Khi  
1.2.5 Mch bo vdiode  
2
: các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp  
tt  
3
: dòng ngược gim về 0. Qúa trình ngắt diode kết thúc.  
7
 
Hình H1.2.5: Mch bo vdiode  
Để hn chế ảnh hưởng ca hiện tượng quá áp và bảo vcho diode công  
sut, ta mc song song vi diode mch lọc RC.Tuy nhiên, các diode công suất  
trên thực tế đã tích hợp sn mch RC.  
1.2.6 Các đại lượng định mc ca diode  
Điện áp định mức: là điện áp ngược ln nhất (URM) có thể lp li tun  
hoàn trêndiode.  
Dòng điện định mức: là dòng điện thun ln nht (IFM) chy qua diode  
mà không làm cho diode bị hng.  
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 ca mt số diode trên thực tế như trên hình H1.2.6.  
Hình H1.2.6: Mt 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 cu to bi cấu trúc 3 lớp dng n-p-n (hình H1.3.1a) hoc  
p-n-p (hình H1.3.1b).Nhưng dạng n-p-n được sdng nhiều hơn vì loại này có  
kích thước nhỏ hơn với cùng một mức điện áp và dòng điện.  
Transistor có 3 cực: cc 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  
ni gia 2 cực C và E.  
Ký hiệu của transistor như trên hình H1.3.1a  
Hình H1.3.1: Nguyên lý cấu to ca transistor  
Hình H1.3.1a : Ký hiệu ca transistor  
Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT được sdụng như một  
công tắc đóng ngắt các mạch điện, phn ln sdng loại NPN và mắc theo dng  
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 khin phải có tác  
dng 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 mc theo dng Emitter chung  
1.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung  
Đặc tính V-A ngõ ra của mch mc 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 din quan hcủa 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 biu 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 ca 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, transistortrạng thái ngắt. Dòng iCcó giá  
trnhỏkhôngđáng 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)nhnht cóthể đạt được ng với giá trị IC cho trước và vùng giới hn  
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 độngchế độkhuếch đại tín hiệu.  
1.3.3 Trạng thái đóng ngắt  
IB ≥ IB(sat) : BJT đóng.  
IB = 0: BJT ngt.  
Với IB(sat) là dòng điện IB bảo hòa. Để đơn giản, ta thường xét điều kin  
đóng ngắt ca transistor ở điều kiện lý tưởng.  
IB> 0 : BJT đóng.  
IB = 0: BJT ngt.  
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 mch ca transistor  
Quá trình chuyển mch tạo nên công suất tổn hao do đóng ngắt ca  
transistor. Công suất tổn hao làm giới hn tn shoạt động ca transistor.Khi  
đóng ngắt, dòng điện qua transistor lớn và điện áp ở mức cao nên giá trị tức thời  
của công suất tn hao ln.  
Quá trình chuyển đổi điểm làm việc tvị 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 mc ca 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 trịcc 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 sut tổn hao: công suất tn hao to ra chyếu 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 vcho 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 cng B bgii hn bởi điện trR1.  
Hình 1.3.6: Sơ đồ mạch kích và giản đồ xung kích  
b. Điều khin ngt:  
Khi điện áp UB giảm xuống giá trị âm U2< 0, trên hai cực B, E xut hin  
điện áp ngược bng tổng điện áp UB và UC.  
Sau khi tC xhết, điện áp trên BE xác lập bằng U2< 0 nên transistor bị  
kíchngắt.  
Thí dụ sơ đồ mạch kích  
Hình H1.3.6a Mt dạng sơ đồ mạch kích cho transistor  
13  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 77 trang yennguyen 30/03/2022 6720
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện tử công suất sử dụng trong công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_do_tin_cay_cua_he_thong_dien_tu_cong_suat_s.pdf