Tiểu luận Điện tử công suất nâng cao

MỤC LỤCCHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN11.Bộ chuyển đổi Buck12.Bộ chuyển đổi Boost13.Nghịch lưu, biến tần23.1.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha23.1.1.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu23.1.2.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng bán cầu43.2.Bộ nghịch lưu ba pha53.2.1.Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp53.2.2.Phương pháp điều khiển sáu bước53.2.3.Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM63.3.Bộ nghịch lưu áp đa bậc83.4.Bộ nghịch lưu nguồn dòng123.4.1.Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha123.4.2.Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha134.Bộ biến tần134.1.Biến tần trực tiếp144.1.1.Biến tần trực tiếp một pha144.1.2.Biến tần trực tiếp ba pha144.1.3.Biến tần gián tiếp ba pha15CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ PWM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BAPHA161.Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm MatlabSimulink161.1.Khối nguồn sin chuẩn171.2.Khối tạo xung răng cưa171.3.Khâu đo dòng điện, điện áp171.4.Sơ đồ mô phỏng mạch động lực181.5.Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển182.Kết quả mô phỏng19

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA SAU ĐẠI HỌC TIỂU LUẬN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NÂNG CAO GVHD: HVTH: Lớp: Khóa học: TS Phan Như Quân Lê Văn Long Võ Minh Khoa 21CD911 2021-2023 ĐỒNG NAI, 03/2022 MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN .1 Bộ chuyển đổi Buck .1 Bộ chuyển đổi Boost Nghịch lưu, biến tần .2 3.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha 3.1.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng cầu 3.1.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng bán cầu .4 3.2 Bộ nghịch lưu ba pha .5 3.2.1 Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp 3.2.2 Phương pháp điều khiển sáu bước 3.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM .6 3.3 Bộ nghịch lưu áp đa bậc 3.4 Bộ nghịch lưu nguồn dòng 12 3.4.1 Bộ nghịch lưu nguồn dòng pha .12 3.4.2 Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha 13 Bộ biến tần 13 4.1 Biến tần trực tiếp 14 4.1.1 Biến tần trực tiếp pha 14 4.1.2 Biến tần trực tiếp ba pha .14 4.1.3 Biến tần gián tiếp ba pha 15 CHƯƠNG II MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ PWM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BA PHA .16 Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink 16 1.1 Khối nguồn sin chuẩn 17 1.2 Khối tạo xung cưa .17 1.3 Khâu đo dòng điện, điện áp 17 1.4 Sơ đồ mô mạch động lực 18 1.5 Sơ đồ mô mạch điều khiển .18 Kết mô 19 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Sơ đồ mạch Buck Hình 2: Sơ đồ mạch Boost Hình 3: Sơ đồ VSI pha dạng cầu Hình 4: Các dạng sóng nghịch lưu cầu pha Hình 5: Giản đồ kích cho S1 S2 .4 Hình 6: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin .4 Hình 7: Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp hai bậc .5 Hình 8: Khoảng dẫn công tắc 1800 Hình 9: Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung Hình 10: Giản đồ tạo xung kích Hình 11: Các dạng sóng dịng áp pha .8 Hình 12: Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp Hình 13: Nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp Hình 14: Điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu áp ba bậc 10 Hình 15: Sóng mang sóng điều chế kỹ thuật điều chế SPWM 10 Hình 16: Kết mô nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp với phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM 11 Hình 17: Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 11 Hình 18: Các điện áp thành phần nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade .12 Hình 19: Bộ nghịch lưu nguồn dòng pha 12 Hình 20: Bộ nghịch lưu nguồn dịng có mắc tụ song song với tải .13 Hình 21: Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha 13 Hình 22: Biến tần trực tiếp pha 14 Hình 23: Biến tần trực tiếp ba pha .14 Hình 24: Biến tần gián tiếp ba pha 15 Hình 1: Sơ đồ mô điều chế PWM điều khiển nghịch lưu ba pha 16 Hình 2: Dạng sóng Phase A, Phase B, Phase C, sóng mang KHz biên độ -1 đến 19 Hình 3: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S1 sau qua so sánh Relational Operator cổng Logic 19 Hình 4: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S2 sau qua so Relational Operator cổng Logic 20 Hình 6: Dạng sóng dòng điện IGBT/Diode .20 Hình 7: Dạng sóng VT1 21 Hình 8: Dạng sóng IT1 , IT2 , IT3 21 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN Bộ chuyển đổi Buck Là mạch dùng để giảm áp vL K + iL + + iC vx iR + V0 Vs Hình 1: Sơ đồ mạch Buck Từ phương trình:  VS − V0   Vθ    DT −   (1 − D)T =  L  L V0 = VS D Ta thấy điện áp đầu nhỏ điện áp đầu vào điện áp đầu phụ thuộc vào điện áp đầu vào tỉ số điều chế D Bộ chuyển đổi Boost Có chức tăng áp vì: iD VL + iL iC + Vs K + V0 Hình 2: Sơ đồ mạch Boost Bộ biến đổi biến đổi điện áp có cấp, thực tế nhiều cần biến đổi điện áp vô cấp không dùng với nguồn xoay chiều mà dùng với nguồn chiều Vì biến áp khơng đáp ứng điều Ngày người ta sử dụng biến đổi điện áp dạng băm xung làm điều Hầu hết chúng sử dụng theo nguyên lí băm xung dùng khóa điện tử để nối tải với nguồn thời gian theo chu kì T định Điện áp thay đổi theo chu kì T thời gian đóng cắt khóa điện tử Nghịch lưu, biến tần Bộ nghịch lưu có chức chuyển đổi nguồn áp hay nguồn dòng chiều thành nguồn áp hay nguồn dịng xoay chiều Dạng sóng đầu xoay chiều AC có biên độ, tần số góc pha điều chỉnh Tùy theo dạng nguồn sơ cấp cấp cho nghịch lưu nguồn áp hay nguồn dòng mà ta có tên gọi là: nghịch lưu nguồn áp hay nghịch lưu nguồn dòng Nguồn cung cấp sơ cấp nguồn ắc quy riêng lẻ nguồn áp xoay chiều qua chỉnh lưu để tạo thành chiều (DC) sau biến đổi ngược trở lại thành xoay chiều, điện áp xoay chiều ngõ có tần số biên độ khác với áp xoay chiều cung cấp từ ngõ vào Các linh kiện dùng nghịch lưu thường phải dùng linh kiện có khả điều khiển đóng - ngắt đầu nghịch lưu thường nối với tải cảm nên dòng điện qua linh kiện ngắt trình chuyển mạch tự nhiên Bộ nghịch lưu dùng nhiều ứng dụng là: điều khiển tốc độ động AC, lưu điện UPS, bù tĩnh, mạch lọc tích cực, hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTs), nghịch lưu hịa lưới dùng lượng mặt trời, lượng gió, … Bộ biến tần thường có hai dạng: biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) tạo nên điện áp trực tiếp ngõ có trị hiệu dụng tần số thay đổi được, tức từ AC AC Bộ biến tần trực tiếp thường sử dụng cho ứng dụng có cơng suất vừa nhỏ Biến tần gián tiếp tạo nên điện áp ngõ cách gián tiếp, tức từ AC chỉnh lưu DC từ DC nghịch lưu lại AC Biến tần gián tiếp sử dụng cho ứng dụng có cơng suất lớn, chất lượng điện áp đầu tốt 3.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha 3.1.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng cầu a) Cấu tạo Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng cầu dạng biến đổi DC AC pha Hình 3: Sơ đồ VSI pha dạng cầu Trong đó: UDC: điện áp nguồn DC cấp vào nghịch lưu u0: điện áp AC đầu nghịch lưu i0: dòng chạy qua tải Giả sử đầu nghịch lưu mắc vào tải gồm R nối tiếp với L Linh kiện dùng nghịch lưu phải có khả kích đóng kích ngắt dịng điện qua Trong ứng dụng cơng suất vừa nhỏ dùng BJT, IGBT, MOSFET cơng suất lớn dùng GTO, IGCT Thơng thường cơng tắc cịn trang bị thêm Diode mắc đối song với nhằm mục đích bảo vệ q điện áp cơng tắc đóng ngắt, gọi chung công tắc b) Điều khiển cho nghịch lưu pha dạng cầu Có cách phổ biến dùng để điều khiển cho nghịch lưu cầu pha là: điều khiển theo dạng sóng vng điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung Sin c) Phương pháp điều khiển theo dạng sóng vng Phương pháp điều khiển theo sóng vng có nghĩa cặp công tắc S1- S2 S3-S4 điều khiển đóng ngắt luân phiên với khoảng thời gian T/2 Do đó, điện áp đầu đặt lên tải có dạng sóng vng có độ rộng Trạng thái đóng ngắt cơng tắc điện áp đầu u0 Từ bảng thấy nghịch lưu cung cấp điện áp đầu có dạng sóng vng Dạng sóng vng có dáng hình Sin, chưa phải Sin lý tưởng thỏa mãn cho vài ứng dụng khơng địi hỏi chất lượng điện áp cao Hình 4: Các dạng sóng nghịch lưu cầu pha 3.1.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng bán cầu Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng bán cầu có cấu tạo gồm khóa bán dẫn S1 S2, nguồn áp DC chia thành hai phần tương ứng cho C1 C2 với điện áp tương ứng UDC/2 hình 1.5 Hình 5: Giản đồ kích cho S1 S2 Theo giản đồ kích hình 1.5 điện áp đầu tải có dạng sóng vng với biên độ ±UDC/2 ±UDC nghịch lưu cầu đầy đủ Hình 6: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin 3.2 Bộ nghịch lưu ba pha 3.2.1 Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp có cấu trúc hình 1.7 Hình 7: Cấu trúc nghịch lưu nguồn áp hai bậc Điều khiển cho nghịch lưu ba pha nguồn áp 3.2.2 Phương pháp điều khiển sáu bước Phương pháp điều khiển bước (six-step) nghĩa là: cơng tắc kích đóng lệch 600 khoảng dẫn công tắc 1800 Với sơ đồ chuyển mạch điện áp đầu cấp cho tải uAN tạo thành bước điện áp từ chuyển mạch cơng tắc chu kỳ Do nghịch lưu gọi nghịch lưu bước (six-step inverter) Dưới phân tích cho khoảng dẫn công tắc tương ứng với 1800 Giản đồ xung tương ứng với khoảng dẫn công tắc 1800 biểu diễn hình 1.8 Để xác định trạng thái cơng tắc phương pháp điều khiển bước ta xét đồ hình 2.8 theo chiều dọc, chẳng hạn bước ta có S1-S5-S6 đóng, bước S1-S2-S6 đóng, bước S1-S2-S3 đóng, bước S2-S3-S4 đóng, bước S3-S4-S5 đóng, bước S4-S5-S6 đóng, quay trở lại bước S1-S5-S6 đóng, … Q trình lặp lại Hình 8: Khoảng dẫn cơng tắc 1800 3.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM Tương tự pha, nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM dựa sở so sánh hai tín hiệu: - Tín hiệu sóng mang tần số cao (carrier signal) dạng tam giác - Tín hiệu sóng điều khiển (reference signal) sóng điều chế dạng sin Sóng mang có tần số cao lượng sóng hài bậc cao xuất tải Tuy nhiên, tần số cao tổn hao q trình đóng ngắt cơng tắc lớn Sóng điều chế ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn trị hiệu dụng tần số sóng hài điện áp ngõ Hình 9: Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung Hình 10: Giản đồ tạo xung kích Hình 11: Các dạng sóng dịng áp pha 3.3 Bộ nghịch lưu áp đa bậc Các nghịch lưu nguồn áp nghiên cứu có bậc thường ứng dụng cho tải có cơng suất vừa nhỏ Bộ nghịch lưu áp bậc có nhược điểm: - Điện áp đầu cung cấp cho tải có độ dốc lớn, có nhiều thành phần hài đặt lên tải - Điện áp tâm tải-tâm nguồn khác không Để giải nhược điểm nghịch lưu áp đa bậc đời Bộ nghịch lưu áp đa bậc thường sử dụng cho ứng dụng có điện áp cao cơng suất lớn Ưu điểm nghịch lưu áp đa bậc: - Điện áp đầu đặt lên tải gần giống với sóng Sin lý tưởng (ít độ dốc hơn) - Lượng sóng hài bậc cao đặt lên tải giảm đáng kể - Công suất nghịch lưu tăng lên - Điện áp đặt lên thiết bị chuyển mạch giảm, giảm tổn hao q trình đóng ngắt tần số chuyển mạch Tuy vậy, nghịch áp đa bậc tồn khuyết điểm sơ đồ phức tạp phần mạch điều khiển phức tạp hơn, điều khiển khó Do đó, thực tế việc sử dụng nghịch lưu áp đa bậc thường sử dụng đến bậc ba đáp ứng phần lớn yêu cầu việc chọn nghịch lưu áp hai bậc hay đa bậc phải cân nhắc kỹ Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc thường biểu diễn hai dạng sau đây: a) Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc chứa Diode kẹp (Neural Point Clamped Multilevel Inverter – NPC) (Diode Clamped Multilevel Inverter) Mơ hình phân chia nguồn DC thành phần nhỏ tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nguồn DC chia thành nguồn nối tiếp điện áp pha – nguồn DC có (n+1) giá trị khác Gọi sáu bậc sơ đồ tạo điện áp pha – tâm nguồn DC có giá trị khác UDC, 2UDC, 3UDC, 4UDC, 5UDC Trong mô hình nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp nghịch lưu áp ba bậc chứa diode kẹp hình 1.11 sử dụng rộng rãi Trong mơ hình hình 1.11 nguồn phân chia thành làm hai phần tụ dung lượng lớn tương ứng điện áp 299 tụ /2 UDC nhờ diode kẹp mà điện áp đặt lên linh kiện chuyển mạch /2 UDC Hình 12: Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp Hình 13: Nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp Hình 14: Điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu áp ba bậc Hình 15: Sóng mang sóng điều chế kỹ thuật điều chế SPWM 10 Hình 16: Kết mơ nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp với phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM Hình 17: Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 11 Hình 18: Các điện áp thành phần nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 3.4 Bộ nghịch lưu nguồn dịng Bộ nghịch lưu nguồn dịng có nguồn cấp vào chỉnh lưu nguồn dòng chiều Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường sử dụng truyền động động điện xoay chiều lò cảm ứng 3.4.1 Bộ nghịch lưu nguồn dòng pha Hình 19: Bộ nghịch lưu nguồn dịng pha Trên hình 1.19 linh kiện chuyển mạch phải có khả điều khiển đóng – ngắt dịng điện Do ta dùng khóa IGBT nối tiếp với Diode dùng SCR, GTO nối tiếp với Diode Trong nghịch lưu nguồn dịng tải thường mang tính cảm chuyển trạng thái đột ngột gây điện áp đặt lên công tắc 12 Hình 20: Bộ nghịch lưu nguồn dịng có mắc tụ song song với tải Để khắc phục trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cầu pha người ta thường mắc thêm Diode mắc nối tiếp với công tắc Trong trường hợp L lớn để tránh cho dịng tải thay đổi đột ngột chuyển trạng thái người ta thường mắc tụ song song với tải Tuy nhiên lắp thêm tụ vào tải gây tượng tích xả lượng tụ dễ gây tượng điện áp tụ Trong trường hợp cần phải có mạch xả lượng từ tụ lưới 3.4.2 Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha Hình 21: Bộ nghịch lưu nguồn dịng ba pha Cũng giống nghịch lưu dòng pha, nghịch lưu dòng ba pha chứa Diode cao áp để bảo vệ, tụ tích xả lượng Bộ biến tần Bộ biến tần thiết bị dùng để biến đổi điện áp dòng điện xoay chiều có tần số cố định thành điện áp dịng điện có tần số khác đầu Do biến tần thay đổi tần số ứng dụng bậc biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số Ngoài việc thay đổi tần số, biến tần thay đổi tổng số pha chẳng hạn từ đầu vào xoay chiều pha biến tần tạo pha xoay chiều mắc vào tải động pha Ngồi biến tần cịn sử dụng kỹ thuật nhiệt luyện Phân loại: Nếu dựa vào số pha ta có: - Biến tần pha 13 - Biến tần ba pha - Biến tần nhiều pha Nếu dựa vào cấu trúc có: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp 4.1 Biến tần trực tiếp 4.1.1 Biến tần trực tiếp pha Hình 22: Biến tần trực tiếp pha Nguồn điện xoay chiều có biên độ tần số không đổi cung cấp nguồn cho biến tần Biến tần trực tiếp tạo nên điện áp đầu có tần số biên độ thay đổi Nó cấu tạo gồm hai chỉnh lưu kép Quá trình chuyển mạch biến tần thường có hai loại chuyển mạch phụ thuộc chuyển mạch cưỡng Chuyển mạch cưỡng thường dùng chuyển đổi ma trận Chuyển mạch phụ thuộc thường dùng cơng nghiệp 4.1.2 Biến tần trực tiếp ba pha Hình 23: Biến tần trực tiếp ba pha Trong ta thấy có hai dạng dạng mắc nguồn chung (tức có chung nguồn thứ cấp biến áp) dạng mắc nguồn riêng (tức ba nguồn cung cấp cho ba pha từ ba cuộn dây thứ cấp biến áp) Với cấu trúc sử dụng nguồn chung chuyển mạch linh kiện nhóm nửa mạch cầu đóng dẫn đến ngắn mạch nguồn Với cấu trúc có chung nguồn thứ cấp biến áp địi hỏi mạch tải ba pha phải có điểm trung tính để hở 14 4.1.3 Biến tần gián tiếp ba pha Cấu tạo biến tần gián tiếp ba pha bao gồm có chỉnh lưu có chức chỉnh lưu điện áp xoay chiều với tần số cố định ngõ vào nghịch lưu có chức chuyển đổi điện áp dòng điện chỉnh lưu sang dạng áp dòng xoay chiều ngõ Và ta điều khiển tần số cách độc lập không phụ thuộc vào tần số vào Giữa mạch chỉnh lưu mạch nghịch lưu có mạch trung gian, người ta gọi biến tần gián tiếp Hình 24: Biến tần gián tiếp ba pha 15 CHƯƠNG II MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ PWM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BA PHA Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink Thực việc thiết lập mơ hình mơ mạch nghịch lưu pha sử dụng phương pháp sin PWM sử dụng phần mềm mô Matlab với chức Simulink Để thiết lập mơ hình mơ cần phải tạo khối sau: Khối nguồn sin chuẩn Khối tạo xung Khâu đo dịng điện, điện áp Hình 1: Sơ đồ mô điều chế PWM điều khiển nghịch lưu ba pha 16 1.1 Khối nguồn sin chuẩn Các tín hiệu điều khiển ngõ vào có dạng sin chuẩn biên độ 0.8, tần số 50 Hz góc lệch pha 120° 1.2 Khối tạo xung cưa Sóng mang có tần số KHz biên độ từ -1 đến Sử dụng cổng so sánh Relational Operator để so sánh mức điện áp chân “+” chân “-” đưa tín hiệu PWM Cổng Logic NOT có nhiệm vụ xuất tín hiệu điều khiển van đóng mở cho IGBT/Diode tránh van nhánh trùng dẫn tránh gây tượng ngắn mạch, dòng 1.3 Khâu đo dòng điện, điện áp 17 1.4 Sơ đồ mô mạch động lực 1.5 Sơ đồ mô mạch điều khiển 18 Kết mơ Hình 2: Dạng sóng Phase A, Phase B, Phase C, sóng mang KHz biên độ -1 đến Hình 3: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S1 sau qua so sánh Relational Operator cổng Logic NOT 19 Hình 4: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S2 sau qua so Relational Operator cổng Logic NOT Hình 5: Dạng sóng dịng điện IGBT/Diode 20 Hình 6: Dạng sóng VT1 Hình 7: Dạng sóng IT1 , IT2 , IT3 21 ... có điện áp cao cơng suất lớn Ưu điểm nghịch lưu áp đa bậc: - Điện áp đầu đặt lên tải gần giống với sóng Sin lý tưởng (ít độ dốc hơn) - Lượng sóng hài bậc cao đặt lên tải giảm đáng kể - Công suất. .. bước (six-step) nghĩa là: công tắc kích đóng lệch 600 khoảng dẫn công tắc 1800 Với sơ đồ chuyển mạch điện áp đầu cấp cho tải uAN tạo thành bước điện áp từ chuyển mạch công tắc chu kỳ Do nghịch... dụng theo ngun lí băm xung dùng khóa điện tử để nối tải với nguồn thời gian theo chu kì T định Điện áp thay đổi theo chu kì T thời gian đóng cắt khóa điện tử Nghịch lưu, biến tần Bộ nghịch lưu