Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã 13350 Học kỳ 2 – Năm học 2020 – 2021 Đề tài Thiết kế bộ ng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã: 13350 Học kỳ: – Năm học: 2020 – 2021 Đề tài: Thiết kế nghịch lưu pha với yêu cầu: - Sử dụng sơ đồ cầu H, van bán dẫn MOSFET; Điện áp ra: 110VAC, f = (0 ÷ 60)Hz; Dòng tải: 2,5A SINH VIÊN NGUYỄN ĐĂNG NGUYÊN NGUYỄN KHÁNH TỒN NGUYỄN CƠNG PHƯỢNG HỒNG MINH QN VŨ ĐẠI PHÁT MSV 82570 88191 82349 83606 81447 LỚP ĐTĐĐH ĐTĐĐH ĐTĐĐH ĐTĐĐH ĐTĐĐH NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên Thành viên Thành viên Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Khoa: TS Đặng Hồng Hải Điện tự động công nghiệp Điện – Điện tử HẢI PHÒNG - 5/2021 ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN Thiết kế nghịch lưu pha với yêu cầu: - Sử dụng sơ đồ cầu H, van bán dẫn MOSFET; Điện áp ra: 110VAC, f = (0 ÷ 60)Hz; Dịng tải: 2,5A Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Điện tử cơng suất cịn có tên gọi “Kỹ thuật biến đổi điện năng” ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn biến đổi để khống chế biến đổi nguồn lượng điện Các biến đổi điện tử công suất hệ ngày thể rõ ưu việt bật như: kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ… Trong biến đổi điện tử công suất không nhắc đến biến đổi điện áp DC/DC, DC/AC Các biến đổi ngày ứng dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm lượng, sử dụng sinh hoạt điện lưới Đây đề tài tập lớn này: Thiết kế nghịch lưu pha với yêu cầu: - Sử dụng sơ đồ cầu H, van bán dẫn MOSFET; Điện áp ra: 110VAC, f = (0 ÷ 60)Hz; Dòng tải: 2,5A Do lần thực làm tập lớn nên mắc phải sai sót, nhóm em mong bảo tận tình thầy CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU Nghịch lưu độc lập biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện chiều thành nguồn điện xoay chiều, hay gọi biến đổi DC-AC, cung cấp cho phụ tải xoay chiều, làm việc độc lập Khái niệm làm việc độc lập nghĩa phụ tải khơng có liên hệ trực tiếp với lưới điện Như nghịch lưu có chức ngược với chỉnh lưu Khái niệm độc lập phân biệt nghịch lưu độc lập với lớp biến đổi phụ thuộc xung áp xoay chiều, chỉnh lưu, van chuyển mạch tác dụng điện lưới xoay chiều Nghịch lưu độc lập có hàng loạt ứng dụng quan trọng Trước hết thấy lượng tích trữ chủ yếu tồn dạng điện chiều, ví dụ acquy dự trữ ngắn hạn tụ điện Năng lượng điện dự trữ dạng xoay chiều hệ thống máy phát gắn với bánh đà vĩnh cửu, nhiên chế tạo hệ thống phức tạp Các nguồn lượng điện phân tán ngày có xu hướng phát triển mạnh mẽ lí bảo mơi trường, điện sức gió, điện pin mặt trười, nguồn thủy điện nhỏ… Tính chất chung loại nguồn bị thay đổi theo thời gian, thời tiết nên cần cần tích trữ acquy Các nghịch lưu độc lập có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện chiều thành nguồn điện xoay chiều, phù hợp với phụ tải xoay chiều thông dụng Hơn nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu có nguồn điện cung cấp có tham số điện áp, tần số, thay đổi phạm vi rộng Các nghịch lưu độc lập sử dụng với chỉnh lưu, hợp thành biến tần, để biến đổi nguồn điện với thông số khơng đổi từ lưới thành nguồn có thơng số thay đổi được, đáp ứng nhu cầu phụ tải Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ nghịch lưu pha, nghịch lưu ba pha Phân loại chúng theo trình điện từ xảy nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng Ở ta nghiên cứu chủ yếu nghịch lưu dòng nghịch lưu áp pha 1.1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU PHA Nghịch lưu dòng pha Nghịch lưu dòng thiết bị biến đổi nguồn dòng chiều thành dịng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm nghịch lưu dòng nguồn chiều cấp điện cho biến đổi phải nguồn dòng, điện cảm đầu vào L d thường có giá trị lớn vơ để dịng điện liên tục 1.1.1.1 Nguyên lý làm việc Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu cầu pha Xét sơ đồ cầu : Các tín hiệu điều khiển đưa vào đơi tiristo T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3, T4 góc 180° Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld = dịng điện đầu vào san phẳng (Error: Reference source not found), nguồn cấp cho nghịch lưu nguồn dịng dạng dịng điện nghịch lưu iN có dạng xung vuông Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = ID Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu nạp điện với dấu “+” bên trái dấu “-” bên phải Khi tụ C nạp đầy, dịng qua tụ giảm khơng Do iN = iC + iZ = ID = số, nên lúc đầu dịng qua tải nhỏ sau dòng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp T3, T4 mở tạo trình phóng điện tụ C từ cực “+” cực “-” Dịng phóng ngược chiều với dịng qua T1 T2 làm cho T1 T2 bị khóa lại Hình 1.2 Biểu đồ xung sơ đồ cầu pha Quá trình chuyển mạch xảy gần tức thời Sau tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” bên phải cực tính “ - ” bên trái, dòng nghịch lưu iN = id = ID đổi dấu Đến thời điểm t = t người ta đưa xung vào mở T1, T2 T3, T4 bị khóa lại q trình lặplại trước Như chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho tiristo Ở thời điểm t1, mở T3 T4 , tiristo T1 T2 bị khóa lại điện áp ngược tụ C đặt lên (Error: Reference source not found) Khoảng thời gian trì điện áp ngược t1 + t1’ cần thiết để trì q trình khóa phục hồi tính chất điều khiển van t1 – t1’ = tk ≥ toff ; toff thời gian khóa tiristo thời gian phục hồi tính chất điều khiển Trong : ω.tk = β góc khóa nghịch lưu 1.1.1.2 Đặc điểm nghịch lưu dịng pha Nghịch lưu dịng khơng có khả làm việc chế độ khơng tải, Rt → ∞ Ut → ∞ id → ∞ Trên thực tế Rt lớn vơ điện áp tải tiến đến giá trị lớn, q trình chuyển mạch khơng thể thực được, khơng có thiết bị bán dẫn chịu đựng độ điện áp lớn Ngược lại tăng phụ tải nghĩa tương đương với việc giảm R t, lúc dòng nạp cho tụ giảm, ngược lại dịng phóng tụ qua tải tăng lên Điều dẫn đến giảm lượng tích trữ tụ, dạng điện áp tải có dạng gần với hình chữ nhật, góc giảm đáng kể ảnh hưởng tới trình chuyển mạch nghịch lưu Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng trình chuyển mạch tiristo Phụ tải ln ảnh hưởng đến q trình chuyển mạch, để đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thời gian t k phải đủ lớn, tức nguồn đầu vào phải đảm bảo nguồn dòng Một số ưu điểm nghịch lưu dòng: + Có khả vượt qua cố chuyển mạch tự phục hồi trạng thái làm việc bình thường + Có khả hãm tái sinh trả lượng lưới đảo dấu cực tính điện áp chiều chiều dòng điện khơng đổi chiều Vì khơng cần u cầu thêm chỉnh lưu đảo chiều điện áp Sự làm việc động độ trượt âm tự động đảo dấu điện áp chiều dịng điện chiều đại lượng điều khiển Do nghịch lưu nguồn dòng lượng tự động nghịch lưu trả lưới Nhược điểm nghịch lưu dịng: + Nhược điểm nghịch lưu nguồn dịng khơng thể làm việc chế độ khơng tải + Kích thước tụ điện điện cảm lọc nguồn chiều lớn Các tụ chuyển mạch phải có trị số lớn cần thiết để thu nhận lượng cuộn dây stator chuyển mạch + Để đảm bảo lượng phản kháng tối thiểu động phải thiết kế cho điện cảm tản nhỏ Điểu làm tăng mức giá động 1.1.1.3 Đặc tính nghịch lưu dịng Nếu nguồn nguồn dịng dạng dịng điện nghịch lưu iNL dòng xoay chiều hình xung vng góc (Error: Reference source not found) Phân tích theo chuỗi Foruier lấy thành phần điều hịa bậc ta có biên độ sóng điều hịa bậc (sóng bản) là: (PT 1.1) Giá trị hiệu dụng sóng là: (PT 1.2) Sơ đồ thay nghịch lưu nguồn dòng quy đổi sóng điều hịa bậc có dạng (Error: Reference source not found) Hình 1.3 a) Sơ đồ thay - b) Biểu đồ vectơ Từ sơ đồ thay ta dựng đồ thị véc tơ nghịch lưu dòng : (PT 1.3) Trong sơ đồ thay hình 3b, U t, điện áp tải (, Ut - điện áp tải điện áp nghịch lưu ( 10 Mối liên hệ đặc trưng thơng số R DS(on) ghi datasheet Mosfet Điện trở R DS(on) số tương ứng với điện áp V gs định nhiệt độ định Mosfet Khi dịng điện qua Mosfet tăng nhiệt độ lớp bán dẫn tăng điện trở RDS(on) tăng theo Hình 1.16 Một số kí hiệu Mosfet Các thông số Mosfet công suất Khi ứng dụng Mosfet thiết bị điện tử cơng suất thơng số quan trọng mà ta quan tâm đến thời gian đóng cắt Mosfet, thơng thường thời gian đóng cắt Mosfet từ 10ns – 60ns Bên cạnh cịn có thông số quan trọng khác như: - Điện áp lớn hai cực D, S Mosfet : V DS(max) (V) - Dòng điện lớn mà van chịu : Id (A) - Điện trở van : Rds(on) (Ω) - Dải nhiệt độ hoạt động van Các thông số quan trọng ta thiết kế mạch điều khiển van 23 10 Quá trình khố mở Mosfet 1.3.1.1 Q trình mở Mosfet Khi cấp vào cực G (Gate) Mosfet điện áp thơng qua mạch Driver q trình mở Mosfet thể đồ thị sau: Hình 1.17 Quá trình mở Mosfet Giai đoạn thứ nhất: Điện dung đầu vào Mosfet nạp từ điện áp 0V đến giá trị UTH, suốt q trình hầu hết dòng điện vào cực G nạp cho tụ CGS, lượng nhỏ nạp cho tụ C GD Quá trình gọi trình mở trễ dịng Id điện áp cực D (Drain) không đổi Sau cực G nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu U th, mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện Giai đoạn thứ hai: Điện áp cực G tiếp tục tăng từ U TH đến giá trị UMiller trình tăng cách tuyến tính; dịng điện I d tăng tỉ lệ với điện áp cực G điện áp hai cực U DS giữ nguyên giá trị Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giữ nguyên mức điện áp Miller VGS,Miller điện áp cực D bắt đầu giảm Dịng điện I D Mosfet giữ nguyên giá trị định Giai đoạn thứ tư: Đây giai đoạn Mosfet dẫn bão hòa cấp điện áp cao UDRV (giá trị UDRV nằm khoảng 10 20V ) vào cực G Mosfet Giá trị cuối V GS định điện trở R DS(ON) van 24 trình mở Do giai đoạn thứ tư điện áp cực Gate tăng từ giá trị UMiller đến giá trị mạch Driver U DRV Trong điện áp cực D, S (U DS) giảm mạnh gần giá trị 0V, dịng điện ID giữ khơng đổi 1.3.1.2 Q trình khố Mosfet Hình 1.18 Q trình khố Mosfet Q trình khóa Mosfet chia làm bốn giai đoạn : Giai đoạn thứ nhất: Là trình xả điện tích tụ CGS,DS từ giá trị ban đầu đến giá trị miller, điện áp cực D Mosfet bắt đầu tăng dần nhỏ, dịng điện cực D (ID) khơng đổi Giai đoạn thứ hai: Điện áp hai cực D - S Mosfet tăng từ giá trị UDS = ID.RDS(ON) tới giá trị cuối UDS(OFF) Trong suốt giai đoạn dịng điện cực D giữ khơng đổi.Dịng điện cực G hồn tồn dịng xả tụ cực Mosfet Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH Phần lớn dòng điện xả cực G phóng tụ C GS.Giai đoạn điện áp UGS dòng điện ID giảm tuyến tính Trong điện áp U DS giữ nguyên giá trị UDS (OFF) 25 Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn q trình phóng điện hồn tồn tụ điện cực Mosfet, U GS giảm đến giá trị 0V Dòng điện cực D giảm giá trị khơng đổi Tóm lại q trình mở - khóa Mosfet q trình chuyển mạch trạng thái trở kháng cao trạng thái trở kháng thấp thực bốn giai đoạn Độ dài khoảng thời gian giai đoạn định giá trị điện dung cực, điện áp đặt vào cực điều khiển, dòng điện nạp xả tụ điện cực G Đây thông số quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfet ứng dụng có tần số đóng cắt lớn 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU CẦU PHA VÀ MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN PHẦN MỀM PSIM 2.1 Tính tốn thơng số mạch 11 Tính tốn thơng số nguồn áp chiều E Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải Ut = E → E = 110 (V) 12Tính tốn thông số liên quan đến tải it = I t max sin(ω t − ϕ ) = → I t = 2,5 = 4E π R + Xt 4E π R + Xt 2 sin(ω t − ϕ ) : ( 2) → Rt + X t = 1570 → Chọn Rt = 30(Ω), Xt = 26(Ω) - Tính Lt : Xt = ωLt = 2πfLt → Lt ≈ 0,08 (H) - Tính góc lệch φ: Xt φ = arctg Rt = arctg ≈49° 13Tính tốn giá trị tụ điện C - Lt C = -( 1-2ln2) ≈ 3,7 (F) với Tt = X t 14Tính tốn thơng số van - Điện áp trung bình đặt vào van: Umosfet = UDiode = Ut / = 110 : = 55 (V) - Điện áp cực đại đặt vào van: Umax = 55 ≈ 77,8 (V) 27 - Dịng điện trung bình qua van IMosfet =Idiode= dωt + Với θ1 = 20o thay vào biểu thức ta có : IMosfet = dt ≈ 0,97(A) 2.2 Tính chọn van Kết luận: Như ta phải chọn Mosfet chịu dòng tối thiểu 0,97 (A), điện áp tối thiểu 55V Nhân hệ số dự trữ lên ( ÷ 3) lần, ta chọn Mosfet có kí hiệu : K2611, hãng sản xuất : Toshiba Semiconductor Thông số kỹ thuật: o Điện áp đánh thủng: 900V o Điện áp VGS = +/-30V o Dịng chịu đựng trung bình: 11A o Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC o Công suất: 300W 2.3 Bảo vệ cho van Theo datasheet RDS(on) = 1.2 ohm , - Ta có P = It2 RDS(on) = 2,2 2.1.2 = 5,8 (W) - Pd = = = 2,7 (W) Trong đó: + Tmax nhiệt độ lớn mà mosfet hoạt động + Tmin thường lấy nhiệt độ phòng 25oC + Rth Mosfet tăng lên 50o tạo môi trường lượng lượng 1W 28 Như : Vì Pd < P để Mosfet hoạt động tốt cần lắp thêm tản nhiệt DATASHEET : 29 30 2.4 Mô mạch phần mềm PSIM Hình 2.1 Mơ mạch chỉnh lưu cầu pha PSIM 31 15 Mô điện áp tải - Đồ thị điện áp nguồn chiều : Hình 2.2 Điện áp nguồn chiều - Đồ thị điện áp xung điều khiển Mosfet : Hình 2.3 Điện áp xung điều khiển Mosfet 32 - Đồ thị điện áp xung điều khiển Mosfet : Hình 2.4 Điện áp xung điều khiển Mosfet - Đồ thị điện áp tải : Hình 2.5 Đồ thị điện áp rơi tải 33 Hình 2.6 Giá trị trung bình điện áp tải 34 16Mơ dịng điện tải - Đồ thị dịng điện tải Hình 2.7 Đồ thị dịng điện tải Hình 2.8 Giá trị trung bình dịng điện tải 35 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy: - Giá trị trung bình điện áp tải xấp xỉ 110(V), giá trị trung bình dịng điện xấp xỉ 2,5 (A) → Thoả mãn yêu cầu đặt 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình điện tử cơng suất – Võ Minh Chính (chủ biên) 37 ... loại nghịch lưu theo sơ đồ nghịch lưu pha, nghịch lưu ba pha Phân loại chúng theo trình điện từ xảy nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng Ở ta nghiên cứu chủ yếu nghịch. .. nghịch lưu dòng nghịch lưu áp pha 1. 1 PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU PHA Nghịch lưu dòng pha Nghịch lưu dòng thiết bị biến đổi nguồn dịng chiều thành dịng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm nghịch lưu dòng... Hình 1. 10 Sơ đồ nghịch lưu áp pha Hình 1. 11 Luật điều khiển tiristo Để đảm bảo tạo điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện van phải tuân theo đồ thị hình (1. 11) Như T1, T4 dẫn điện lệch 18 0 o tạo pha