Nghiên cứu chế tạo bộ nghịch lưu ba pha sử dụng driver tích hợp

Bài viết Nghiên cứu chế tạo bộ nghịch lưu ba pha sử dụng driver tích hợp trình bày cấu trúc bộ nghịch lưu độc lập ba pha tích hợp driver FSBB30Ch60C và sơ đồ mạch ghép nối với vi điều khiển. Bài báo cũng trình bày sơ đồ mạch mô phỏng và chế tạo mạch thực nghiệm bộ nghịch lưu điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA SỬ DỤNG DRIVER TÍCH HỢP RESEARCH AND DESIGN THREE-PHASE INVERTER USES INTEGRATED GATE DRIVER VŨ NGỌC MINH*, PHẠM THỊ HỒNG ANH Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: minhvn.ddt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày cấu trúc nghịch lưu độc lập ba pha tích hợp driver FSBB30Ch60C sơ đồ mạch ghép nối với vi điều khiển Bài báo trình bày sơ đồ mạch mô chế tạo mạch thực nghiệm nghịch lưu điều khiển động điện xoay chiều ba pha Thiết bị chế tạo có cấu trúc đơn giản, có tính mở, phù hợp cho việc triển khai nghiên cứu, phát triển công nghệ phịng thí nghiệm Các kết mơ phần mềm PSIM kết thực nghiệm cho thấy tính xác hiệu thiết bị xây dựng Từ khóa: Biến tần, nghịch lưu ba pha, điều khiển động điện xoay chiều ba pha Abstract The paper presents the structure of the threephase independent inverter with integrated driver FSBB30Ch60C and a circuit diagram to pair it with the microcontroller The article also presents the simulation circuit and the experimental circuit of the inverter to control the three-phase AC motor The device is made simple, has an open structure, suitable for research and technology development in laboratories Simulation results on PSIM software and experimental results show the accuracy and efficiency of the device being built Keywords: Converter, three phase inverter, three phase motor control Đặt vấn đề Các biến đổi công suất AC/DC, AC/AC sử dụng phổ biến ngành giao thông vận tải cho hệ thống tàu điện ngầm, tàu điện cao, ô tô điện Trong lĩnh vực công nghiệp, biến đổi AC/DC, DC/AC sử dụng rộng rãi ứng dụng điều chỉnh dải rộng tốc độ Nghịch lưu ba pha sử dụng cấu trúc driver tách riêng với van động lực ứng dụng cơng nghiệp từ lâu, chúng có cấu trúc phức tạp, giá thành cao, phù hợp với dải công suất trung bình lớn Các tác giả có số nghiên cứu, mô chế 38 tạo theo hướng thể qua cơng trình cơng bố [1-2] Với phát triển mạnh mẽ ngành bán dẫn cơng suất, biến đổi cơng suất tích hợp driver ý phát triển, tối ưu hóa kích thước, đơn giản hóa ghép nối giảm giá thành sản phẩm đầu Cấu trúc biến đổi AC/DC/AC dần ứng dụng vào lĩnh vực điện tử gia dụng máy giặt inverter, điều hòa inverter, tủ lạnh inverter [4-6],… Mạch điều khiển Mạch công suất 220V Nguồn điều khiển Chỉnh lưu diode Màn hình Cổng vào/ra Khối phanh DC Vi điều khiển 30F4011 Driver tích hợp Van cơng suất nghịch lưu Hình Cấu trúc nghịch lưu pha Các nghịch lưu ba pha cơng nghiệp có cấu trúc đóng phù hợp với nghiên cứu vận hành, không phù hợp với mục đích nghiên cứu phát triển khoa học Nếu chế tạo nghịch lưu có tính mở tạo linh hoạt nghiên cứu phát triển cơng nghệ thuật tốn điều khiển (firmware) phát triển cấu trúc phần cứng (hardware) Hình trình bày giải pháp thiết kế nghịch lưu pha với mạch công suất mạch điều khiển tách rời tạo linh hoạt ghép nối thử nghiệm Phần điều khiển nhóm tác giả phát triển hoàn thiện [1-3] Bài báo trình bày phần thiết kế, chế tạo, đánh giá kết mô kết thực nghiệm công suất nghịch lưu ba pha sử dụng IC driver tích hợp FSBB30Ch60C SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Cấu trúc thơng số IC van cơng suất tích hợp driver FSBB30Ch60C FSBB30Ch60C van cơng suất tích hợp driver hãng Fairchild phát triển có thơng số kỹ thuật trình bày Bảng Kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý, phù hợp với vùng công suất thấp nên FSBB30Ch60C biến thể ngày ứng dụng rộng rãi Bảng Thông số kỹ thuật FSBB30Ch60C Stt Tham số kỹ thuật Đơn vị Điện áp hoạt động 450V Dòng điện 30A Điện áp điều khiển Thời gian chuyển mạch Vce(sat) lớn Tần số điều biến lớn 15-20V 0,1-0,4us 2V 20Khz Hình Ghép nối vi điều khiển với FSBB30Ch60C Tín hiệu đo dịng ba pha lấy từ điện trở Rsu, Rsv, Rsw qua khâu lọc thông thấp R-C đưa trực tiếp cổng vào ADC vi điều khiển Tín hiệu bảo vệ q dịng từ vi điều khiển đưa tới IC driver thông qua mạch lọc thơng thấp Rf-Csc Ngưỡng dịng bảo vệ tính theo cơng thức Ibv=0,5/Rsv Hình Sơ đồ khối mạch cơng suất Hình Sơ đồ khối FSBB30Ch60C Cấu trúc phần cứng FSBB30Ch60C trình bày Hình Sáu van IGBT kèm diode nội mắc theo cấu trúc mạch cầu ba pha Nhóm ba van thấp điều khiển chung driver ba kênh kết hợp tính đo bảo vệ q dịng pha tải Khi xảy tượng dòng, ba van IGBT nhóm thấp điều khiển khóa lại Nhóm ba van cao điều khiển ba driver riêng biệt sử dụng kỹ thuật bootstrap, ba diode bootstrap tích hợp sẵn IC để giảm kích thước mạch điện tử bên Thiết kế, chế tạo nghịch lưu ba pha Hình Trình bày sơ đồ ghép nối trực tiếp Ic tích hợp với vi điều khiển, kiểu ghép nối trực tiếp giúp giảm thiểu số lượng linh kiện điện tử từ giảm chi phí biến đổi diện tích bố trí bảng mạch SỐ 71 (8-2022) Cbs, Cbsc kết hợp với diode nội tạo thành mạch bootstrap cho ba pha Tín hiệu điều khiển van từ vi điều khiển đưa tới Ic mắc qua mạch lọc Rs-Cps để giảm tượng dao động ký sinh van chuyển mạch Cấu trúc mạch cơng suất nghịch lưu ba pha Hình cụ thể hóa Hình IC driver tích hợp, mạch đo bảo vệ dịng đặt bảng mạch Phần chỉnh lưu, DC link mạch phụ trợ bảo vệ áp phát triển riêng bảng mạch khác để tạo linh hoạt kết nối đo đạc tham số Nguồn cấp đầu vào lấy từ lưới điện xoay chiều 220V250V Mạch công suất nghịch lưu thiết kế để sử dụng cho động có cơng suất tới 750W, điện áp hoạt động 220V Hình 11 12 trình bày sơ đồ nguyên lý tác giả triển khai thực tế Hình bảng mạch chỉnh lưu có bảo vệ áp Hình 10 bảng mạch cơng suất tích hợp FSBB30CH60C chế tạo thử nghiệm 39 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Kết mô thực nghiệm Hình sơ đồ cấu trúc mạch cơng suất nghịch lưu ba pha mô Các thông số van IGBT lấy theo số liệu nhà sản xuất [4] trình bày Bảng Bảng 2, Ic tích hợp FSBB30CH60C hồn tồn đáp ứng tốt với nhiệm vụ điều khiển động Hình kết mô điện áp van IGBT mạch cơng suất có điện cảm L=5uH Q trình khởi động điện áp van tăng đến 410V IGBT khả chịu điện áp Vces=600V, van làm việc an toàn, hệ số an toàn điện áp đạt tới 1,46 Ia Ib Ic -2 -4 -6 0.1 0.2 0.3 0.4 Time (s) Hình Mạch nghịch lưu mơ Psim Hình Dịng khởi động động Bảng Thông số IGBT FSBB30Ch60C Stt Tham số kỹ thuật Đơn vị Điện áp collector-emitter, Vces 600V Dòng collector, Icmax 60A Công suất nhiệt, Pc 106W Điện áp rơi diode, VF 2,1V Điện áp bão hòa IGBT, Vce(sat) 2V Tần số điều biến 10khz Thơng số mơ thực nghiệm báo bao gồm: Khả hoạt động nghịch lưu với tải khác nhau, điện áp van biến đổi mang tải, hình dáng dịng điện, điện áp tải Ptot_D Ptot_Q 0.1 12 10 -2 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) Hình Cơng suất tiêu tán IGBT điode Hình 9, 10 hình ảnh hai thành phần mạch công suất biến tần ba pha phần mềm thiết kế mạch, bao gồm mạch nghịch lưu mạch chỉnh lưu có bảo vệ áp theo sơ đồ nguyên lý Hình Hình 13 trình bày ghép nối hồn chỉnh thành phần biến tần sử dụng IC tích hợp FSBB30Ch60C thực nghiệm để điều khiển động xoay chiều ba pha Vdc 500 400 300 200 100 -100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) Hình Điện áp IGBT L=5uH Bộ nghịch lưu mô trường hợp điều khiển theo luật PWM với hệ số điều biến Tải động điện xoay chiều ba pha 220V, 750W, cosφ 0,72 Điện áp nguồn chiều 310V Bước mơ E-6(s) Hình 7, trình bày kết mơ q trình khởi động động xoay chiều ba pha roto lồng sóc Dịng khởi động lớn pha ≈ 6A Công suất nhiệt van ≈ 10W Đối chiếu với tham số van 40 Hình Board mạch cơng suất FSBB30Ch60C Khi ghép nối thực tế Ic công suất FSBB30CH60C với mạch điều khiển trình bày Hình Mạch công suất nghịch lưu hoạt động điện áp cao, để đảm bảo an toàn cho người vận hành thử nghiệm nạp phần mềm, tác giả thiết kế vi điều khiển giao tiếp với FSBB30CH60C thông qua ic cách ly quang 6N137 SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Kết đo điện áp lớn IGBT Chế độ tải Điện áp lớn IGBT (V) Sai số cho phép (V) Không tải 311 ±2V 25 % 50 % 75 % 340 355 410 ±2V ±2V ±2V 100 % 425 ±3V Hình 10 Board mạch công suất chỉnh lưu bảo vệ 5V U2 5V 470 H1 R2 10k U7F 13 12In_L1 U7G VCC 15V U8F 13 7414 GNDvdk U8G VCC 470 R1 10k 5V 14 IC1 GND 7414 GND 7414 12 In_H1 In_L1 In_L2 In_L3 L1 Rin2 Rin1 14 U1 7414 GNDvdk GND GND 6N137 Fo 6N137 GND GND 5V U3 U4 Rin3 470 10In_L2 H2 7414 GND Rin4 470 R3 10k GNDvdk 5V U7E 11 L2 Cx2 1u/25 R4 10k GNDvdk U7C U8E 11 7414 6N137 GND U5 GND U6 5V 470 H3 Rin6 C4 Cx6 22u/25v 1u/25 11 10 In_H1 12 Cx1 4n7 W V VBW VCCWH INWH VSW U KF2 26 15V GND 25 24 KF3 C1 470u/25v Cx3 1u/25 Out1 Zn1 18 GND NW VBV VCCVH INVH VSV NV 23 R7 22 1k VBU VCCUH INUH VSU NU 21 R8 1k GND FSBB30CH60 OvC R6 10k Cx7 1u/25 15V 470 U7D In_L3 U8D 7414 GNDvdk 15 14 In_H2 13 16 27 R5 10k C3 Cx5 22u/25v 1u/25 5V Rin5 In_H2 C2 Cx4 22u/25v 1u/25 P VFO CFOD CSC 7414 6N137 L3 10 OvC 19 18 In_H3 17 20 PS VCCL COM INUL INVL INWL GND R9 4k7 In_H3 U9 7414 GNDvdk Fo 6N137 6N137 GND GND Err JP2 PC817 Lerr 5Vdk P_on 15V 10 12 14 16 IC2 Ng JP2 GNDvdk I 5V O C6 470u/25v C5 470u/25v 11 13 15 L1 H1 L2 H2 L3 H3 ROLE G PWM1 Cx8 1u/25 Cx9 1u/25 Cx10 1u/25 Cx11 1u/25 Rl 1k Tx Rx GND Header 8X2 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất FSBB30Ch60C ghép nối với vi điều khiển 310V J1 R1 Cx2 R3 F1 AC 220v F1A 220nF 560k XXpF A1 V+ A2 V- R2 470k C1 220uF/450V C2 220uF/450V 310V Cx5 4n7 GND 12V J3 TP RL1 12V 12V JP3x2 470k Relay D1 U1 PC817 2 15V Cx6 0.47u Cx7 4n7 KF2 GNDiso DC15 Cx11 4n7 Cx12 4n7 Cx13 470n JP15 JP2 J6 Relay 10A/12V Q1 C2383 UVW DC12 R25 Cx1 4n7 HV TP1 12V J2 C3 220uF/450V Diode Brideg Cx4 4n7 GNDp Res Cx3 AC1 DB1 3 GNDiso Motor out KF2 GNDiso GND Hình 12 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất chỉnh lưu bảo vệ áp SỐ 71 (8-2022) 41 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng trình bày kết thực nghiệm đo điện áp IGBT vận hành động xoay chiều ba pha 220V, 750W tương ứng với phụ tải khác Kết thực nghiệm tương đồng với kết mô động van IGBT phần mềm PSIM thiết kế, chế tạo thành công nghịch lưu điều khiển động xoay chiều pha roto lồng sóc Các kết mơ thực nghiệm cho thấy nghịch lưu ba pha hoạt động tốt Thiết bị nhóm tác giả chế tạo có ưu điểm đơn giản, có tính mở, sử dụng linh kiện điện tử đại, dễ dàng triển khai chế tạo thực nghiệm diện rộng cho mục đích nghiên cứu khoa học ứng dụng thương mại hóa sản phẩm tương lai Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT21-22.44 Hình 13 Bộ nghịch lưu ba pha hoàn thiện vận hành thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Tâm Thành, Vũ Ngọc Minh (2020), Mô hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất phịng thí nghiệm, Tạp chí Giao thơng vận tải, Số 05, tr.117-120 [2] Phạm Tâm Thành, Vũ Ngọc Minh (2018), Mô khởi động mềm động xoay chiều ba pha, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng vận tải, Số 29(8), tr.44-49 Hình 14 Thực nghiệm đo dòng điện pha u, v oscilloscope Vuv 200 -200 [3] Nguyễn Phùng Quang (2016), Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Bách khoa, Hà Nội [4] Fairchild (2008), FSBB30CH60C smart power modul, Fairchild semiconductor corporation Vvw 200 -200 0.01 0.02 0.03 0.04 Time (s) Hình 15 Thực nghiệm (trái) mơ (phải) điện áp pha u, v động xoay chiều ba pha Dòng điện pha điều khiển động tần số định mức đo oscilloscope Hình 14 Kết thực nghiệm cho thấy mạch cơng suất hoạt động tốt, dịng điện cấp cho động có dạng hình sin phù hợp với tải động điện xoay chiều ba pha Điện áp pha u, v đo thực nghiệm mơ thể Hình 15, điện áp chuỗi sóng hài bậc cao khơng có điểm bất thường với giá trị lớn tải định mức 425V [5] Texas instruments (2017), Three-phase inverter reference design using gate driver with built-in dead time insertion, Texas instruments incorporated [6] David Tam (2017), New 1200V Integrated circuit changes the way 3-phase motor drive inverters are designed, International rectifier Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 06/4/2022 12/4/2022 24/4/2022 Kết luận Bài báo phân tích cấu trúc IC cơng suất tích hợp driver FSBB30CH60 Từ tham số IC tích hợp nhà sản xuất cung cấp, tác giả mô hoạt 42 SỐ 71 (8-2022) ... biệt sử dụng kỹ thuật bootstrap, ba diode bootstrap tích hợp sẵn IC để giảm kích thước mạch điện tử bên ngồi Thiết kế, chế tạo nghịch lưu ba pha Hình Trình bày sơ đồ ghép nối trực tiếp Ic tích hợp. .. cầu ba pha Nhóm ba van thấp điều khiển chung driver ba kênh kết hợp tính đo bảo vệ dòng pha tải Khi xảy tượng q dịng, ba van IGBT nhóm thấp điều khiển khóa lại Nhóm ba van cao điều khiển ba driver. .. thấy nghịch lưu ba pha hoạt động tốt Thiết bị nhóm tác giả chế tạo có ưu điểm đơn giản, có tính mở, sử dụng linh kiện điện tử đại, dễ dàng triển khai chế tạo thực nghiệm diện rộng cho mục đích nghiên