Đề số 23
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguơn úp với tân số ra thay đổi ” với các
thơng sơ sau: U vào Ura Ira f 220V 127V 20A 40 > 400 Hz Mục Lục
Lời nĩi đầu 1
Chương 1 Phần tích lựa chọn phương án 2
I Phân tích yêu cầu cơng nghệ 2
II Lựa chọn phương án 7
Chương 2 Tính tốn mạch động lực 8
I Tính tốn bộ nghịch lưu 8
II Tính tốn bộ biến đổi DC-DC 10
II Tính tốn mạch bảo vệ van bán dẫn 12
Chương 3 Mơ phĩng bộ biến đơi 13
Chương 4 Thiết kế mạch điều khiến 15
IL Phần cứng 15
IL Lap trình điều khiến phát xung 16
II Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT 20 driver
Tài liệu tham khảo 21
Trang 2Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Lời nĩi đầu
Điện tử cơng suất cịn cĩ tên gọi là “Kỹ thuật biến đơi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đơi để khơng chế biến đổi nguồn năng lượng điện
Điện tử cơng suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành cơng nghiệp hiện đại Cĩ thể kế đến các ngành kỹ thuật mà trong đĩ cĩ những ứng dụng tiêu biểu
của các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất như : truyền động điện, giao thơng đường sắt,
nau luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong cơng nghiệp hĩa chất, trong rất nhiều các thiết bị cơng nghiệp và dân dụng khác nhau
Trong những năm gần đây cơng nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn cơng suất đã cĩ những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hồn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ
biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn
Trong các bộ biến đổi điện tử cơng suất khơng thể khơng nhắc đến các bộ nghịch lưu điện áp Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng Đây cũng chính là đề tài của đồ án
này:
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tân số ra thay đổi ” Bản báo cáo của em gồm 4 chương lớn:
> Chương l:Phân tích lựa chọn phương án > Chương 2:Tính tốn mạch động lực
> Chương 3:Mơ phỏng bộ biến đổi > Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Trọng Minh cùng các thầy cơ giáo bộ mơn Tự đơng hĩa đã hướng dẫn em hồn thành đồ án này Trong quá trình làm đồ án, đo lần
đầu tiếp cận với đồ án, chúng em khơng tránh khỏi những sai sĩt, em rất mong được
các thây cơ chỉ bảo thêm
Hà Nội, tháng 5 năm 2006
Sinh viên
Trang 3Vii Duc Tan TDH4-K50
Chuong1 Phan tích lựa chọn phương án
I Phân tích yêu cầu cơng nghệ
1 Khái niệm chung về Ề Nghịch lưu độc lập (NLĐL)
Nghịch lưu độc lập là thiết bị biển đổi nguơn điện một chiều thành xoay chiều (cịn gọi là bộ biến đổi DC-AC) cĩ tần số ra cĩ thể thay đơi được và làm việc với phụ tải
độc lập
Nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu nguồn cung cấp cĩ các tham số như điện áp, tần số cĩ thể thay đơi được trong một phạm vi rộng
Trong thực tế, các: bộ biến tần được hop thành bởi các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập để biến nguồn điện cĩ các thơng số khơng thay đối được thành nguơn điện cĩ các thơng số thay đơi được, đáp ứng mọi yêu cầu của phụ tải
NLĐL được phân loại thành :
> NLĐL nguồn áp
> NLĐL nguồn dong
> NL cộng hưởng 2 Nghịch lưu độc lập nguon dong
Su dung mot ngu6n điện với nội trở vơ cùng lớn, dịng điện ra là khơng đối, khơng phụ thuộc vào tính chất của phụ tải
Nghịch lưu độc lập nguồn dịng gồm cĩ:
> NLDL nguén dịng song song một pha > NLĐL nguồn dong ba pha
3 Nghịch lưu độc lập nguơn áp
NLĐL nguồn áp sử dụng các van bán dẫn điều khiển hồn tồn như IGBT, GTO,
MOSEET, BJT do cơng nghệ chế tạo các phần tử này đã hồn chỉnh hơn rất nhiều
Ở đây chúng ta cĩ NL nguồn áp 1 pha, 3 pha
3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha
Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hồn tồn VI, V2, V3, V4 và các điơt ngược DI, D2, D3, DA Các điệt ngược là bắt buộc phải cĩ trong sơ đồ NLĐL nguồn áp, giúp cho quá trình trao đơi cơng suất phản kháng với nguồn Nguơồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co cĩ giá trị đủ lớn, cĩ 2 vai trị:
Trang 4Vii Duc Tan TDH4-K50
Néu khơng cĩ tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ khơng cĩ đường chạy cho dong phan
kháng dẫn đến quá điện áp trên các phân tử trong sơ đồ
3.2 Ngịch lưu độc lập nguơn áp ba pha
Sơ đồ gồm sáu van IGBT VI, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điơt ngược D1, D2, D3,
D4, D5, Dĩ Tương tự như NLUĐL nguồn điện áp một pha, các dit ngugc co vai tro giúp cho quá trình trao đơi cơng suất phản kháng giữa tải và nguồn Tên AD 1 Ie x D 3 | V5 Ko 5 E DC-DC Pf Ret 284 20h te Zep | Fe | |zb Zc Hình 2 Mạch NLĐL nguơn điện áp câu 3 pha
Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn Cĩ thể dùng thêm bộ DC-DC để cĩ
điện áp vào mong muơn Phụ tải Za=Zb=Zc đầu Y hoặc A 4 Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguơn áp 3 pha
4,1 PWM (Pulse Width Modulation)
Phương pháp PWM thường được sử dụng, đảm bảo điện áp ra cĩ dạng hình sin Để dạng điện áp ra khơng phụ thuộc vào phụ tái ngưởi ta thường sử dụng biến điệu bề
rộng xung hai cực tính, mỗi pha của sơ đồ cĩ thê điều khiển độc lập với nhau Cặp
van trong mỗi pha được điều khiển ngược nhau(VI1 và V4, V3 và Vĩ, V5 và V2) VÌ — Máy phát sin chuân V4 L— (SinA, SinB, SinC) | = V3 | Vé |L_ Máy phát xung VY J rang cua V2 |—
Hình 3 Sơ đơ khối điều khiển PWM
Trang 5Vii Duc Tan TDH4-K50
> Tín hiệu điêu khiến trong mỗi chu kỳ xung răng cưa Ts đơi xứng theo mỗi nửa chu ky Ts/2 | Sina ae a
Hinh 4 Do thixung diéu khién vao V3,V1,V5
Kho khan nhat trong phuong phap PWM do la phai co 3 song hinh sin chuẩn cĩ biên độ chính xác băng nhau và lệch pha nhau chính xác là 120” trong tồn bộ dải
điều chỉnh Điều này rất khĩ đảm bảo bằng các mạch
tương tự
4.2 SVM (Space Vector Modulation)
Phương pháp điều chế vector khơng gian đang ngày
càng được sử dụng rộng rãi Đây là phương pháp biến điệu hồn toản sử dụng kĩ thuật số, cĩ độ chính xác cao,
dễ dàng thực hiện trên các bộ xử lý tín hiệu số DSP, ví
du nhu dsPic
4.2.1 Cơ bản về vector khơng gian
Một hệ thống điện áp hay dịng điện 3 pha gồm ba
thành phần (ua uạ uc) hay (ia, is ic) cĩ thể được biểu
Trang 6Vũ Đức Tan TDH4-K50
z i= 1 43 + 1A » RK y + 2 ` > 1A
Trong đĩ: a=e = ti (j là đơn vị sơ phức ảo 7ˆ =-—1 ) và u được gọi là vector khơng gian Hình 5 Điện áp các pha
Giả sử z„,ø„,„ là một hệ thơng điện áp ba pha :
u, =U,,cos(at);
Up =U,cos{ or -% > u=U,„es9
u, =U,,cos C + sả)
3
Như vậy, trên mặt phẳng tọa độ 0œ, u là một vector cĩ độ dài bằng độ dài của điện áp pha và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc gĩc bằng ø
4.2.2 Trạng thái của van và các vector biên chuẩn
Đối với hệ sơ đồ NL áp ba pha, điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng ( hình
5) Sử dụng khái niệm trên, ta cĩ thể mơ tá hệ thống điện áp bởi vector khơng gian u ứng với mỗi 1/6 chu kì điện áp ra
Xét khoảng từ í¿ —>í,, cĩ ba van dẫn là 1, 6, 2 và điện áp trên các van được mơ tả
bởi vector u¡ cĩ độ lớn 2E/3 Ứng VỚI u¡ ta CĨ : U,=2E/3
U, =U, =-E/3
Tương tự như vậy ta co 6 vector uj,U2 ,U3 ,U4 ,Us ,Ug m6 ta điện áp ba pha đối xứng
VỊ trí và giá trị các vector này xác định:
> Gia tri điện áp tức thời trong các van > Luật đĩng mở các van
Trong đĩ, luật đĩng mở van phải đảm bảo:
wx Khơng được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì nếu đầu vào bị ngắn mạch sẽ sinh ra dịng lớn, phá hủy van
« Khơng được hở mạch bất cứ pha nào đầu ra
Trang 7Vii Duc Tan TDH4-K50
Các vector u; voi 1=1,2 6 dugc goi 1a cac vector biên chuẩn, cĩ hướng cố định
trong mặt phẳng, lệch nhau một gĩc 60°
Các vector này được biểu diễn trên hệ tọa
độ 0o tạo thành một lục giác đều, chia mặt phẳng thành 6 gĩc băng nhau, đánh số
từ I cho đến VI (hình 6)
423 Tổng hợp vector điện áp từ các vector biên chuẩn
Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định dựa vào gia tri điện ấp một chiều
đầu vào : |u,|=2#/3=U
Gọi u là vector điện áp ra mong muốn, cĩ
độ dài |u|= Ư, Hinh 6 Cac sector và vector biên chuẩn
Xét khi vector khơng gian u nằm trong gĩc phần sáu số I Theo quy tắc hình bình
hành, ta cĩ thê tổng hợp u từ hai vector biên u¡, u; : a trong đĩ u›, u; là hai vector phải và trái, lần lượt năm dọc theo hai vector biên u¡ va Ud Độ dài vector phải, trái được tính như sau : 2 lu, | = elulsin( © 5Ì 2 m,|=-EI|sinở
6 là gĩc chỉ vị trí tương đối của vector u trong gĩc phần sáu Bản chất của phép điều
chế vector khơng gian là tạo ra các vector uy, u; trong mỗi chu kì tính tốn, hay cịn
gọi là mỗi chu kì cắt mẫu T, Độ dài các vector này được xác định bởi giá trị trung
bình theo thời gian tồn tai cla cdc vector uj, uy trong m6i chu ki T, :
(1)
t t
pa, = fas fae] = [a (2)
Từ (1) & (2) ta cĩ cơng thức tính tốn giá trị thời gian điều chế : U, 2 7 U, 2 t, =T,—— sin| —- 0}; t, =7.——sind (3 7 *U, NB Ũ ] i U, v3 ©) Dat g= = i : hệ số biến điệu Do u chỉ quay giới hạn trong đường trịn nội tiếp lục TL 3 2 Z 2 ,= nh 5 TJq-=sin| —-0 |; t,=T,g-=sinØ TB
Trong khoảng thời gian cịn lại trong chu kì cắt mẫu, 7,, =T —í, T—í,, ta phải đặt Ss
giác đều trên nên ta cĩ: 0<ø<-—= Khi đĩ biểu thức (3) trở thành :
vector khơng uạ hay u; ứng với trạng thái điện áp ra băng 0 Mặt khác, để điện áp ra ít bị méo thì Tạ; được chỉa làm đơi và đặt vào đầu và cuối của Tụ
4.2.4 Thuật tốn điều chế vector khơng gian
Trang 8Vũ Đức Tân TĐH4-K50
> Lượng đặt ra là lượng điện áp ra mong muơn, cĩ thê cho dưới dạng tọa độ cực u =U,e“, hoặc dưới dạng tọa độ vuơng gĩc u= (+„.z;)
> Xác định vector u đang thuộc sector nao trong sau sector
> Lựa chọn hai vector biên chuân ứng với sector đĩ và vector khơng theo bảng sau đề đảm bảo sơ lân chuyên mạch xảy ra giữa các van là ít nhât : Sector Vector | I II Ill IV Vụ VỊ Up u, u, u, u, u, u, Us u, u, u, u, u, U, Đạ/; u, Uy u, Uy u, Uy
> Tính tốn các thời gian sử dụng các vector biên
4.2.5 Đặc điểm của phương pháp điều chế vector khơng gian SVM:
> Khác với phương pháp PWM kinh điển, SVM khơng dùng các bộ điều chế
riêng biệt cho từng pha mà tổng hợp vector u tính chung cho cả ba pha
> Sử dụng các thiết bị điều khiển bởi vi xử lý, phương pháp SVM cĩ thể áp đặt
chính xác các vector phải, trái, từ đĩ tính được to, t, trong mỗi chu kì cắt mẫu
T¡,
> Xung tam giác dùng so sánh cĩ dạng đối xứng nên xung điều khiển cũng đối
xứng, giám được một số thành phân sĩng hài bậc cao
> Điện áp dây của đầu ra mạch nghịch lưu lớn nhất bằng E trong khi phương pháp PWM chỉ đạt chưa tới 90% E Ưu điểm này rất cĩ lợi trong thiết kế bộ điều khiển động cơ vì lúc đĩ dịng điện giảm đi, với cùng một cơng suất 5 Yêu câu đối với bộ nghịch lưu nguơn áp 3 pha
Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra biến đơi 3 pha phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
> Đảm bảo cho dạng dịng điện ra trên tải hinh sin > Điều chỉnh vơ cấp được tần số của điện áp ra trên tải
> An tồn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cĩ
> Chỉ phí thiết kế vận hành thấp
H Lựa chọn phương án
1 Lựa chọn phương án mạch lực
Trong đồ án này sẽ trình bày chỉ tiết về Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha, nĩ
được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp như chế tạo bộ biến tần, điều khiển tốc độ
động cơ, tiết kiệm năng lượng
2 Lựa chọn phương án mạch điều khiến
Vì những ưu điểm đã trình bày ở trên nên sẽ sử dụng phương pháp điều chế vectơ
khơng gian SVM trong đồ án này
Đây là một phương pháp tiên tiến, ngày càng được sử dụng nhiêu, tính chính xác cao do sử dụng kỹ thuật số
Trong các phần sau sẽ trình bày cụ thể hơn về mạch lực và mạch điều khiển cho
Trang 9Vũ Đức Tân TDH4-K50 Chương II: Tính tốn mạch động lực L Tính tốn bộ nghịch lưu | | ba et [eRe Le VI KD: V3 K p3 V5 aT Pe E DC-DC Tế" /\0 D4 [ vs ZXp|JeB [ vz ZXpịa a | J | Fe | |zo " Hình 7 Sơ đồ mạch NLĐL nguơn điện áp 3 pha Sử dụng hình thức làm mắt van tự nhiên: + hệ số dự trữ địng điện: k, =5 + hệ số dự trữ điện áp: ÿ„ = 1,4 1 Tính tốn chọn van IGBT
*) Điện áp lớn nhất đặt lên van: U vy max (VY): +
Xét tai thoi diém van V, mé, van V, dan: = ¥ V
Cực C của Ƒ¡ nơi với cực dương của nguơn Vz V y Van V, thơng nối cực E của V, voi cực âm của nguồn Ve Như vậy điện áp lớn nhất đặt lên các van IGBT là: 23 V2.3 Ov max = V =——— gq U am 20,75" 127=359,21(WV) Hình 8 V1 khĩa, V4 thơng Trong đĩ q là hệ số dn điệu (0 < q< 0.866) *) Dịng điện trung bình đi qua van:
Biêu thức dịng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:
ly= vợ sn(enJ + qsin(at + v)|dat V4 a oe |
Rút gọn ta được: ly= cma Ạ Ễ cosø)
Dịng trung bình qua van sẽ lớn nhất với tần số thấp là:
V2 2.2
y= geg) => Ling sg = 228 —— (1+ 0,75) = 24, 75(A)
Trang 10Vii Duc Tan T: ĐH4-K5 0
Từ 2 thơng sơ trên ta chọn IGB'T GA200SA60U của hãng IR cĩ các thơng sơ chính :
+ Loại vỏ SOT227 + Tm = 200A + UO gin = 800V
+ Pamax = S00W + V =1,90V + J„„=1000/4
2 Tinh toan chen Diode
*) Diện áp ngược lớn nhat dat trén van (7 Dng max `
Xét thời điểm van ƒ¡, D¿ khĩa và van ƒ¡, D, thơng:
Cyc Anode cua D, duge nối với cực âm của Vg THƠN Cực Kathode của D4 do van , thơng nên nỗi với Vo cực dương của V„ Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U Dng max — V g
*) Dịng điện trung bình đi qua Diode: J, Hình 9 V4, DI thơng Biéu thức dịng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là: 1? In=5- [T„sin()At,dax 0 Giá trị cực đại của dịng trung bình qua Diode: lp= ima =g)= V21 a —q)= 1220 — 0,75) = 3,53(A4) Dịng điện và điện áp định mức của Diode cân chọn là: U pam — kU png max — 1,4.359,21 ~ 503(V) T pan = kK i-T png max = 5.3,53 =17,65(A) Từ 2 thơng số trên ta chọn DIODE 1n2455r co cac thong s6 chinh sau: > Iưưy=2041 và „„= 600W
Trang 11Vii Duc Tan TDH4-K50
H Tính tốn bộ biên đơi DC-DC
Bộ biến đổi xung áp một chiều DC-DC dùng điều chỉnh điện áp một chiều đầu vào
cho mạch lực của nghịch lưu, đảm bảo cho điện áp ra trên tải cĩ biên độ theo yêu cầu của đề bài
J1 M it
1 Nguyên lý làm việc + 0=/YYY\ b
Van cĩ tác dụng nạp năng lượng cho T*———————
cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với I’ id
nguồn FE m
+ Khi van T thơng cuộn L nạp năng ft A
luong bang dong dién i, di tir nguén qua :
đụ at
+ Khi van khĩa dịng qua cuộn cảmtiếp -
tục được duy trì bang dong qua diét D Hinh 10 DC-DC và phụ tải: LoL = B-V, El j I C2 LvavanT: L 0 Với V,=const, dịng qua cuộn L cĩ dạng ss A A ; 7z A ` ` ;y 7 E
tuyên tính, do đĩ nêu J va I,,,, la cac gia
Trang 12Vũ Đức Tan TDH4-K50
2 Tham sé diéu chinh 6
Yêu câu bài tốn thiệt kê đặt ra là biên đơi điện áp E=220V ban đâu thành nguồn áp V, = 359,21V ~360V Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đầu vào của bộ biến đổi như sau: V - 5 1-6 B= 6= 1—-U Ƒ, =1— ^^ 20,39 360 Mặt khác ồ== t, =0T Xung phát vào IGBT được lấy từ chân RDO cúa vi điều khiến cĩ tần số f =10kHz > T =10~s > t, =0,39.10*s = 0,039(ms)
3 Tinh toan chen van IGBT
*) Dién ap lon nhat dat trén van (J 71, :
Khi van T khĩa thì van D sé thơng nên điện áp đặt trên van T chính là V, = Urinax =V 2 = 3600 - *) Dịng mee bình qua van /,: Ta cĩ: J, - 1, Trong đĩ 7„: là đồng tiêu thụ trung bình của bộ nghịch lưu từ nguồn 3 Chọn chế độ làm việc nặng nhất là khi COSØ = Ì > [,=30,75N2.20~16(4) = =>],= a= 516 *10,23(4) ? Dịng điện và điện áp định mức của van cần sn chọn là: Trin” 507
Tan = Ker y = 510,23 = 51,15(A)
Từ các thơng số trên ta chọn IGBT IRG4PC40S của hãng IR cĩ các thơng số chính:
+ Loại vỏ TO247(B) + ư„ = 600V + /ưự= 604
T Pamax =160W M V ce =1,5V + Tee = 250UA
4 Tính tốn chon Diode
*) Diện áp ngược lớn nhât dat lén Diode:
Trang 13Vũ Đức Tan TDH4-K50 Từ các thơng sơ trên ta chọn Diode CR150-060 cĩ các thơng sơ chính như sau: + /ư„ạ=1504 + U an = 900V + AU, =1,V +[,=1mA +Nhiét d6 cho phép 7, = 200°C 5 Tính tốn chon cugn cam L va tụ điện C + Cudn cam L: Al, = ưT.7 >L= 5T với điều kiện sai số AI,=0,11, L Al Vv >= 0,39.107 T50 - ~6,98.10 (1) = 6,98(mH) + Tụ điện C: AV, = 6T its C § => C=0,39.10 5 5” =1,11.10°(F) =11,1(uF) gis
So sanh gia tri C, =12,8uF cua b6 nghịch lưu và giá trị C=11,luF cia b6 DC-
DC, ta st dung C,, chung cho 2 bộ nghịch lưu va DC-DC
HI Tính tốn mạch bảo vệ van bán dẫn
1 Mạch trợ giúp van (Snubber Circuit)
Quá tải dịng điện đưa IGBT ra khỏi trạng thái bão hịa dẫn đến cơng suất phát nhiệt
tăng lên đột ngột, phá hủy phần tử Khi khĩa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn
khi dịng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng giảm dịng dI1/dt quá lớn trên C-E lập tức đánh
thủng phần tử, nĩ khơng chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà cịn xảy ra khi tắt nguồn,
khi dừng đột ngột hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bình thường
Ở đây ta sử dụng mạch trợ giúp RC mắc song song với van (hình 12) + Van IGBT TRG4PC40S sử dụng trong bộ nghịch
lưu để đĩng cắt dịng điện 7 2= 204 dưới điện áp
E,=360V, với tần số chuyển mạch là
J, =20kHz, tu ky sinh cia bản thân van là
C„ =800pƑ', ta chọn các thơng số mạch RC: Œ, =2000pƑ, R, =È„/TI, =360/20 =18(O)
+ Van IGBT SGL60N20DTU được sử dụng trong bộ DC-DC đê đĩng cắt dịng điện 7 =104 dưới điện áp /j„=360V với tần số chuyển mạch là
Trang 14Vii Duc Tan TDH4-K50
Chương 3 Mơ phồng bộ bién doi ¥ dũ_xung ¬ ra 5 B Ampe ke ———" = 8| G TH Ampe še2 | BC_DC_ mach _lucilGBT) RL_noi_tiep Hinh 13 So dé mé phéng
Các khối trong sơ đồ mơ phỏng
> Khối tham so_ dau ra: khối này cĩ chức năng định giá trị đầu ra với hai tham
số,hệ số biến điệu m và tần số dịng điện ra Í
Khối khoi_tao_xung:khối này nhận hai tham số m,f và sử dụng thuật tốn SVM điều chế thành 6 xung phát vào 6 van của mạch lực
Khối mach_luc:mạch lực 6 IGBT đấu theo sơ đồ cầu 3 pha,nhận các xung
điều khiển dẫn dịng theo qui luật để tạo dịng ra mong muốn
Khối DC_DC :khỗi này là bộ băm xung một chiều song song cĩ tác dụng nâng mức điện áp lên để đạt đuợc điện ap dau ra mong muốn
Khối tai _RL_ noi tiep: đây là tái gồm R và L nối tiếp,cĩ giá trị tạo cho ø =30°
Khối Do Upha và Do Ipha chức năng như Ampe kế và Von kế để đo U pha và Ipha K Khối Scope giống như oscilloscope để xuất ra hình ảnh của U và I
Trang 16Vii Duc Tan TDH4-K50
Chuong 4 Thiét ké mach diéu khién I Phần cứng +5 VD Mach reset SW1 co | O—I r Mach phan ap +5 VD S——v 0.1uF | —Ì_ 7 1K + XXXXX —Ìlolœl^l@lonlllMÌ—¬ T L—owxz Pu X| XxX xi ATQIIN Mach dao dong MLCR ANO/RBO AN1/RB1 AN2/RB2 AN4/RB4 VSS OSC1/CLKI OSC2/CLKO/RC15 RC13 VDD RD1 AVDD AVSS PWM1L/REO PWM1H/RE1 PWM2L/RE2 PWM2H/RE3 PWM3L/RE4 PWM3H/RE5 VDD vss RF2 FLTA/RE8 RDO dsPic30F2010
Hinh 16 Mach dsPIC30F 2010
1 Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F2010 XXX%X —— + ol < 0 DSPIC230F2010 là bộ điều khiển số 16 bit của hãng Microchip cĩ các tính năng như: Ba b6 timer 16-bit Bon bé6 Input Capture
Một giao tiếp UART Một giao tiép SPI Một giao tiép I2C
Bộ nhớ chương trình/bộ nhớ lệnh: 12K/4K
Dung lượng SRAM: 512 Bytes Dung lượng EEPROM: 1024 Bytes
Hai bộ Output Compare/Standard PWM Sáu kênh chuyên dụng điều khiển motor PWM
Sáu kênh chuyên đơi A/D 10bit
H6 tro Quandrature Encoder Interface 2 Cac Module duge sw dung > Module ADC > Module TIMER > Module PWM 3 Mach ngoai vi > Mạch reset: cĩ tác dụng khởi động lại vi điều khiến > Mạch dao động thạch anh:
v Thạch anh tần số 20MHz cung cấp xung dao động cho vi điều khiến vx Tụ lọc CI=C2=33pf giúp ơn định xung dao động do thạch anh tạo ra > Mach phân áp: là đầu vào cho bộ chuyên đổi tương tự số ADC, qua đĩ cĩ thê
điều chỉnh dải tần làm việc cho nguồn 3 pha
Trang 18Vũ Đức Tan TDH4-K50
1 Diéu chinh tan sé dwa vào mạch phân áp bên ngồi Su dung Module ADC, d6 phan giải 10 bit, ngõ vào AN0
Với giải điều chỉnh tần số 40—>400(Hz), chọn các điện áp: 7
> OV ung voi 40Hz 1K Sy
> SV img voi 400Hz >
Tần số ƒ =40+72xV(Hz) |
“ Nữ
Trong đĩ V là điện áp ở ngõ vào ADC
2 Khai báo các hằng số, thiết lập Module PWIM
2.1 Khai bảo các biên
> Khai báo các biến nguyên sử dụng trong chương trình ?7inh 18 Bộ phân áp
Y Gĩc 9 định vị vectơ u trong khơng gian
vx Thời gian phát xung: tị, tị, tạ, tsựm
v Theo đĩ town =H +tị + t= 2.t2.(fo + t, + tp)
> Khai báo tần số số thực thi lệnh và tan s6 PWM FCY= 5000000;
FPWM= 10000;
2.2 Thiét lap Module PWM
> Thiết lập Module PWM làm việc ở chế độ bù tức là các cặp chân ra
PWMIL&PWMIH, PWM2L&PWM2H, PWM3L&PWM3H phát xung ngược nhau
Thiết lập Module PWM hỗ trợ ngõ ra giĩng hàng theo điểm giữa Khi sử dụng
Module PWM theo cách này thì Tpwin= 2xT:
> Thiết lập tần số fowm bang cach gan giá trị cho thanh ghi PTPER.Chọn hệ số PTMR Prescaler bằng một
PTPER = (FCY/FPWM - 1) /2
> Chu ki xung bang 2 14n chu ki chu ki nhiém vụ nên để tránh phiền hà cho tính toan sau nay ta gan tpwm=2xPTPER 3 Cập nhúp gĩc 0 và lập bảng giá trị “sinefable[ ]” 3.1 Cập nhập gĩc 8 > Khoi tạo gĩc =0 »> Gĩc 0 được cập nhập sau mỗi chu kì Tpym gọ1 m là số lần cập nhật trong một chu ky dién: m= a From Í wm tf > Tính tốn bước nhảy À sau mỗi chu kì Tpwm AO = 2m 1 Som m
3.2 Lap bang sintable[]
Bang nay ghi lai cac gia tri:
sin@ = sin(0 + 1.A@)
vào mảng sintable[] với i = 0 tc ; trong đĩ ° là số lần cập nhật trong mỗi sector
Trang 19Vũ Đức Tan TDH4-K50
4 Lập trình phát xung
Thực hiện vịng lặp sau mỗi chu kỳ tsym:
> Bất đầu gĩc 0 được update 0=0+A0
> Sau đĩ dựa vào gĩc 6 để xác định vị trí của vector u trong khơng gian Cụ thé: néu (n- Đệ <Ø< ne thi u sé nam trong sector n và qua đĩ xác
dinh duoc vevtor bién chuẩn trái Ủn:¡, phải Ủn và vector khơng U,,U7
> Tính tốn thời gian phát xung tị = 2to, tị = 2t), tạ = 2t,
> Kết hợp với các vector biên chuẩn đã xác định thực hiện phát xung qua các chân PWM bằng cách đặt các thời gian tương ứng lên các thanh ghi PDCX Tpwm Tpwm ` Tp Ts Ts Ts | | Toe | Tp | Tt | Toa | To Sof Tt Tp | Toe | To2 | Tp A k Tt 3 Jo To¿a | Tt | Tp ie | I I I Tt I ay | | | | | ol Q4 —¬ | | | ——Ì | | | | | | | | | | al | | | | }— 1 | | | pd gel | | | | | | Ị | | | | | | | | asl | | | | << | | | eT Le - on I = | are — aa | | TH ee CÀ xa” — TH GÄa-eeeeẽ 1
~~ Truc dol xung
Hình 19 So a6 xung phat vao cac van & sector I
+ Sector 1 + Sector 3 + Sector 5 PDC1 = 2tp + 2t + t, PDCI= to PDC1 = 2t,+ t, PDC2 = 2t, + t, PDC2 = 2tp + 2t,+ to PDC2 = t, PDC3 = t, PDC3 = 2t,+ t, PDC3 = 2t, + 2t,+ to + Sector 2 + Sector 4 + Sector 6 PDC1 = 2tp + to PDCI1 = t, PDC] = 2t; + 2t.+ ty PDC2 = 2tp + 2t¿+ to PDC2 = 2tp + ty PDC2 = to PDC3 = t, PDC3 = 2tp + 2t.+ ty PDC3 = 2t; + ty Nhân xét
> Trong một chu ki T, van chuyén mach một lần, trong khi đĩ
Fy=2*FPWM=20000Hz Vậy tân sơ chuyên mạch của van là 20000Hz
> Xung phát ra từ Module PWM được đưa vào IGBT driver
Trang 20Vũ Đức Tân TDH4-K50 5 IGBT driver HCPL-316J HCPL-316J VỊN+ Ve |16 0.1 | 01 ‘oor F VịN VLED2+ 15 | „ch ¬ | 100 © Monet " ALAA Veer DESAT | 14 }—— Wv SI A Ve GND1 Veo2 [13 4 | _|Vẹc; =18 V Qi | RESET Vo [12 Ce) ss J : — “ mũ _IÈ m ryt l the: FAULT Vour {11} 9 “ UF | F —* 3pHASE VL ED1+ Vgg |10 os rT Rf = OUTPUT 5 Ga) = « + VL ED1- Vẹg |9 ng -| z 7] Hình 20 HCPL-316.J Nguồn: =+5Vƒ; V„„ =—5V; V„., =+18V;lây từ mạch nguồn & phan III (hinh 21) dưới đây > > > Tín hiệu vào: xung PWM từ chân vi điều khiển vào chân Vạ,,, chân Vị, được nối đất Tin hiéu ra: chan Vy: cap tín hiệu điều khiển vào cực G của IGBT qua điện trở Re
Tín hiệu DESAT: được lay từ Collector qua điot DpgsAr qua một mạch lọc tần số thấp băng điện trở 100 và tụ 100pF, đưa vào chân 14 của IC Mức điện
áp ở chân 14 được theo dõi để phát hiện mức bão hịa của IBGT Nếu điện áp này lớn hơn 7V sau khi cĩ tín hiệu điều khiển mở IGBT chứng tỏ cĩ quá dịng
điện,mạch xử lí logic khĩa mềm sẽ phát tín hiệu khĩa và tự động tăng điện trở
đưa đến cực đến cỡ 500, lớn hơn 10 lần so với khi khĩa mở thơng thường 6ĩ Lập trình phát xung vào IGBT của mạch DC-DC Thuật tốn: > > > > > >
Bước 1.Thiết lập chân RDO của dsPic30F2010 (hinh 16) 1a chan output
Bước 2 Xuất chân RD0 ở mức cao
Bước 3.Thực hiện trễ trong thời gian 7 x ổ (m$)
Bước 4.Xuất chân RD0 ở mức thấp
Bước 5.Thực hiện trễ trong thời gian 7 x(1— đ)(ms)
Bước 6.Quay lại bước 2
Ghi chú: * T là chu kì của xung phát vào IGBT của mạch DC-DC
Trang 21Vii Duc Tan TDH4-K50
III Mach nguồn cung cấp cho vi điều khiến và a er BAXI 4 } T ¬ L bla| 61 G ẤT ẽ Rl 5V _ Dnl +18V Upl O OV Ch f † 1 ng A 5y Uns Uv _L kim RT +18V Up7 H A a pỊP ‘i | Ợ ' |, nh Ư IV 3 vee D75 T7 D -5V Un? LM7805 VIN@ VOUT €) D? T7 5 sự =—T¬ Cï E7 DI D7 O IV Hình 2] Mạch nguồn
Vi điều khiển sử dụng 3 nguồn điện áp 1 LM7805
chiêu +5V cịn 7 IGBT driver sử dụng 7
nguồn điện áp 1 chiều +1§V và -5V vì vậy 3 We EM °
ta phải thiệt kê mạch nguơn Ì chiêu đê cung OV
cầp cho các chị tiết này i | CF et
1 Thiét ké nguén DC +5V cho vi diéu D7 |
khién: ‘ 0
+ Nguơn 1 chiéu E (U vao) ban đầu được IV
cung cấp cho bộ nghịch lưu áp 1 pha, tần số
Trang 22Vii Duc Tan TDH4-K50
+ Điện áp ø,(r)này được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung đê thay đổi biên độ của xung theo yêu cầu tạo thành điện áp u,(t)
+ Dién ap u,(t) duge dua vao b6 chinh lu cau 1 pha Đầu ra của bộ chỉnh lưu được nối với các tụ lọc và vi mạch ơn áp 7805 để tạo ra điện áp DC +Š5V cĩ độ ơn định cao cung câp cho vi điêu khiên
2 Thiết kế nguồn DC +18V và -5V cho IGBT driver:
+ Điện áp z,() được đưa vào cuộn sơ câp
của máy biến áp xung Cuộn thứ cấp của biến áp xung này cĩ điểm giữa nối đất tạo thành 2 điện áp ø„(Œ) vàu,() ngược pha nhau
+ Diện áp ø;(7) được đưa qua bộ chỉnh lưu
cầu pha, qua bộ lọc RC tạo thành điện áp l1
chiều Đồng thời dưới tác dụng ơn áp của Diode Zener DZ18, dién ap 1 chiéu nay sé
6n dinh 6 gid tri 18V IDIID — Ư3 Ul Rl s œ +18V BAXI le gil © 0V spioy | G1 E1 n 7 RI DZ5 TT |, | O_ -5W
Hình 23 Nguồn cho IGBT driver + Tương tự điện áp ø„() cũng được đưa qua bộ chính lưu câu 1 pha Dưới tác dụng
của bộ lọc RC và Diode DZ5, điện áp 1 chiều đầu ra sẽ ơn định ở giá trị -5V
Tài liệu tham khảo
> Giáo trình điện tử cơng suất-Trần Trọng Minh-Nxb Giáo dục
> Điện tử cơng suât-Võ Minh Chính, Phạm Quơc Hải, Trần Trọng Minh-
Nxb Khoa học kỹ thuật
> Điện tử tương tự-Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải,