Thiet ke bo bien tan mot pha su dung phuong phap dieu che do rong xung pwm

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí LỜI NĨI ĐẦU Điện tử công suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch q trình biến đổi điện Ngày nay, khơng riêng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… sử dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó minh chứng cho phát triển ngành công nghiệp Với mục tiêu công nghiệp hố đại hố đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử công suất Cũng với lý đó, chúng em làm đồ án môn học điện tử công suất Nhiệm vụ: ” ThiÕt kế mô biến tần cầu pha. Mc dù dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý thầy, cô Cuối em xin chân thành cảm ơn Thầy cô khoa, đặc biệt TS Nguyễn Hồng Mai giúp em hồn thành đồ án mơn học Đà Nẵng, ngày 17 tháng 11 năm 2014 Sinh viên thực Hoàng Thanh Tú MỤC LỤC SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 1.1.1 Bộ nghịch lưu .4 1.1.2 Bộ biến tần 1.1.2.1 Biến tần gián tiếp 1.1.2.2 Biến tần trực tiếp 1.2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 1.2.1 Nguyên lý hoạt động tham số .9 1.2.2 Tụ lọc đầu vào nghịch lưu điện áp .13 CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 14 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC 14 2.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA 15 2.2.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu điện áp pha .15 2.2.1.1 Điều chế PWM hình sin hai cực tính 16 2.2.1.2 Điều chế PWM hình sin cực tính 17 2.2.1.3 Chọn phương án điều chế SWPM 18 2.2.2 Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt 18 2.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 20 2.3.1 Tính tốn nghịch lưu 20 2.3.1.1 Chon hệ số điều biến tần số 20 2.3.1.2 Chon hệ số điều biến biên độ 21 2.3.1.3 Tính tốn điện áp chịu đựng yêu cầu IGBT .21 2.3.1.4 Tính tốn dịng điện cần thiết để chọn IGBT 22 2.3.1.5 Chọn IGBT .22 2.3.1.6 Tản nhiệt cho IGBT 23 2.3.2 Tính tốn diode chỉnh lưu lọc nguồn .24 2.3.2.1 Bộ lọc đầu vào chiều cho nghịch lưu 24 SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 2.3.2.2 Tính chọn diode chỉnh lưu 24 2.3.2.3 Bảo vệ điện áp cho Diode chỉnh lưu 25 2.3.3 Tính chọn máy biến áp 26 2.3.4 Tính tốn lọc tần số đầu nghịch lưu 26 2.3.5 Bảo vệ dòng cho biến tần 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28 3.1 CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN .28 3.2 TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28 3.2.1 Khâu tạo sóng sin 28 3.2.2 Khâu tạo sóng mang tam giác .30 3.2.3 Khâu nghịch đảo sóng sin 31 3.2.4 Khâu so sánh tạo xung 32 3.2.5 Khâu đảo xung điều khiển 32 3.2.6 Khâu cách ly khếch đại 32 3.2.7 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển 34 CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG DẠNG SĨNG ĐẦU RA VỚI CÁC LOẠI TẢI BẰNG MATLAB SIMULINK 36 4.1 Sơ đồ mạch mô 36 4.2 Kết mô với tải R-L đèn tuýp .37 4.3 Kết mô với tải R bếp điện 41 4.4 Kết mô với tải động .43 4.5 Kết mô với tải mạ điện R-C-E 46 SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 1.1.1 Bộ nghịch lưu Nghịch lưu độc lập (NLĐL) thiết bị để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi PDC NGHỊCH LƯU f=0 ĐỘC LẬP PAC f=var f=const Trong hệ thống chỉnh lưu có nghịch lưu nghịch lưu phụ thuộc biến đổi lượng chiều (DC) thành lượng điện xoay chiều (AC), tần số điện áp dòng điện xoay chiều tần số khơng thể thay đồi lưới điện Hơn hoạt động nghịch lưu phải phụ thuộc vào điện áp lưới tham số điều chỉnh góc điều khiển α đuợc xác định theo tần sổ pha lưới xoay chiều Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số mạch điều khiển định thay đổi tuỳ ý, tức độc lập với lưới điện Nghịch lưu độc lập phân thành ba loại: NLĐL điện áp: cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất điện áp lưới: trạng thái khơng tải cho phép cịn trạng thái ngắn mạch tải cố PDC ̴’ f=0 E PAC NLĐL ̴’ f≠0 Tải Uac NLĐL điện áp NLĐL dòng điện: cho phép biến nguồn dòng chiều thành nguồn dịng SVTH: Hồng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí điện xoay chiều PDC ̴’ f=0 PAC NLĐL I ̴’ Tải f≠0 Iac NLĐL dịng điện NLĐL cộng hưởng: có đặc điểm hoạt động ln hình thành mạch vịng dao động cộng hưởng RLC Tải NLĐL lả thiết bị điện xoay chiều pha hay ba pha, NLĐL chế tạo hai dạng NLĐL pha NLĐL ba pha Van bán dẫn sử dụng NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu: Với NLĐL điện áp, van hoạt động tác động sức điện động chiều E, điều tương tự van băm xung chiều, thích hợp phải van điêu khiên hoàn toàn: loại transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTO Với NLĐL dòng điện NLĐL cộng hưởng, tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường dùng 1.1.2 Bộ biến tần Biến tần thiết bị biến đổi lượng dòng điện xoay chiều tần số sang lượng dòng điện xoay chiều tẩn số khác PAC U1, f1,m1 SVTH: Hoàng Thanh Tú BIẾN TẦN PDC U2,f2,m2 Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 1.1.2.1 Biến tần gián tiếp PAC PDC PDC PAC LỌC MỘT CHIỀU CHỈNH LƯU NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP U1, f1,m1 U 2,f2,m2 Cấu trúc thông dụng biến tần gián tiếp hình, qua ta thấy để tạo nguồn xoay chiều tần số khác với đầu vào phải tiến hành hai trình biến đổi lượng; chỉnh lưu biến lượng xoay chiều chiều, sau nghịch lưu để biến đổi ngược lại Biến tần gọi biến tần cỏ khâu trung gian chiều theo sơ đồ cẩu trúc biến đổi lượng Việc sử dụng NLĐL làm biến đổi tần số đầu cho phép biến tần loại cỏ khả thay đổi tẩn số phạm vi rộng độc lập, ưu điểm chủ yếu đem đến ứng dụng rộng rãi cùa thực tế Nhược điểm biến tần gián tiếp hiệu suất không thật cao q trình biến đổi lượng hai lần Khối chỉnh lưu biến tần gián tiếp chỉnh lưu điều khiển hay không điều khiến tuỳ thuộc vào loại nghịch lưu độc lập dùng công suất tải a Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập điện áp: đòi hỏi nguồn chiều có độ đập mạch nhỏ ổn định, thường dùng chỉnh lưu điốt với khâu lọc chiều kiểu C lọc LC cỏ cấu trúc hình, chỉnh lưu điều khiển dùng độ đập mạch điện áp xấu nhiều (tăng mạnh) điều chỉnh giảm điện áp chiều PAC CHỈNH LƯU ĐIỐT U1, f1,m1 PDC P LỌC MỘTDC CHIỀU (C ; LC) P DC LƯU NGHỊCH ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP PAC LỌC TẦN SỐ U2, f2,m2  Với cấu trúc này, mạch điều khiển tác động vào khối nghịch lưu độc lập điện áp để đảm bảo yêu cầu tần số điện áp tải, SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí mạch điều khiển phức tạp Với tải cơng suất trung bình lớn phải dùng chinh lưu cầu nhiều pha: m2=6,12 để vừa giảm hệ số đập mạch không cần tụ lọc lớn, vừa cải thiện đáng kể hệ số méo dòng điện tiêu thụ từ lưới xoay chiều  Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh ổn định điện áp thơng qua điều khiển diện áp chiều cách đưa thêm vào băm xung chiều sau chỉnh lưu điôt lọc Đơi băm xung chiều cịn dùng đế tăng điện áp (băm xung kiểu song song) cho trường hợp nguồn xoay chiều thấp giá trị cần có b Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập dòng điện: đòi hỏi nguồn dòng chiều, sau chỉnh lưu cho phép nhận điện áp khơng phải dịng, để chuyển đổi thành nguồn dòng buộc phải thực đồng thời hai biện pháp:  Sử dụng lọc điện cảm với giá trị lớn để làm độ đập mạch dòng điện nhỏ, tương ứng dịng khơng đổi tức có nguồn dịng Tuy nhiên điện cảm lọc khơng cho phép ổn định điểu chỉnh dịng ra, cần biện pháp thứ hai  Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnh lưu theo biến động tải nguồn hệ thống kín với phản hồi dòng điện để đảm bảo vừa điểu chỉnh dịng theo u cầu cơng nghệ, vừa ổn định dịng chống biến động PAC PAC CHỈNH LƯU P AC LỌC MỘT CHIỀU (L) PNGHỊCH AC LƯU TẢI ĐỘC LẬP U2, f2, m2 Như biến tần dùng nghịch lưu dịng điện có cấu trúc U1, f1,m1 ĐIỀU KHIỂN DỊNG ĐIỆN hình Trạng thái khơng tải với nguồn dòng cấm (trạng thái cố) nên biến tần hoạt động đà nối tải c Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập cộng hưởng: hoạt động với nguồn áp hay nguồn dịng nói chung thường SVTH: Hồng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí sử dụng chỉnh lưu điều khiển NLĐL cộng hưởng hay ứng dụng cho thiết bị gia nhiệt tần số nên thường sử dụng loại pha 1.1.2.2 Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau: • Dùng hai chỉnh lưu loại, đầu đấu ngược cực tính • Mỗi chỉnh lưu đảm nhận dấu điện áp cho hai chạy tạo thành điện áp hai dấu (xoay chiều) đầu Sử dụng nguyên tắc đạt hiệu suất cao khơng cần biến đổi lượng hai lần, nhiên loại có số nhược điểm như: tần số phụ thuộc tần số nguồn; điều chỉnh tần số trơn khỏ khăn, số lượng van lớn, muốn đạt tiêu chất lượng tốt biến tần gián tiếp tồn hệ thống (cả lực điều khiển) phức tạp NLĐL biến tần sử dụng rộng rãi lĩnh vực cung cấp điện, hệ điều khiển tốc độ động điện xoay chiều, truyền tải điện HVDC, luyện kim, biến đối cho nguồn lượng SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí 1.2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 1.2.1 Nguyên lý hoạt động tham số NLĐL điện áp pha dùng sơ đồ cầu, bán cầu hay tia, Tuy nhiên dạng điện áp nên ta xét sơ đồ cầu NLĐL điện áp pha sơ đồ cầu Các van hoạt động theo cặp T1, T2 T3,T4; hai cặp van dẫn khoảng thời gian nửa chu kỳ điện áp Điện áp có dạng xung chữ nhật với giá trị ±E Điện áp thoả mãn điều kiện điện áp xoay chiều tuần hồn là: • Điện áp có hai dấu dương âm; • Giá trị trung bình khơng; • Sau nửa chu kỳ có giá trị ngược dấu: u(t) = u(t + T/2); • Sau chu kỳ lặp lại trạng thái: u (t) = u(t + T) SVTH: Hoàng Thanh Tú Trang Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí Tuy nhiên điện áp khơng phải hình sin, ngồi thành phần u, i có chu kỳ chu kỳ điều khiển cịn có sóng hài bậc cao Biểu thức chung sóng hài ∞ sin ( k −1 ) ωtt 4E u ( t )= (1.1) ∑ π k=1 k−1 Như để có điện áp hình sin cần chọn ra, lọc tần số mong muốn đầu NLĐL điện áp có lọc tần số Để đánh giá dạng điện áp khác (méo) so với hình sin mong muốn cần sử dụng tham số sau: Hệ số sóng hài bậc k , tỉ số trị số hiệu dụng sóng hài bậc k với sóng hài bản: HF k = Uk Ukm = U1 U1 m (1.2) Hệ sô méo bậc k (Distortion Factor k-harmonic): Uk DFk = k U1 = HFk (1.3) k2 Hệ sổ méo (Distortion Factor): DF= U1 ∞ √∑ k=2,3 … ( Uk k ) (1.4) Hệ số méo tổng (Total Harmonic Distortion-THD): TDH= √ ∞ ∑ k=2,3 … U1 Uk = √U 2 +U32 + Un2 (1.5) U1 Ảnh hưởng lớn đến dạng sin điện áp sóng hải gần với sóng bản, phân tích thường ý chủ yếu đến sóng hài bậc thấp này, gọi LOH (Lowest - Order Harmonic) Các sóng hài cỏ biên độ nhỏ 3% biên độ sóng hài (HFk < 0,03) bỏ qua không xét đến với LOH, lúc coi điện áp hinh sin hồn chỉnh khơng méo SVTH: Hồng Thanh Tú Trang 10