thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra thay đổi; với các thông số sau_ u vào 220v, u ra127v, i ra 20a, f 40  400 hz

Vũ Đức Tân TĐH4-K50 Lời nói đầu Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến

Đề số 23

“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra thay đổi ” với các

thông sô sau:

II Tính toán bộ biến đổi DC-DC 10

III Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT 20

driver

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

Lời nói đầu

Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đồi đề không chế biến đồi nguồn năng lượng điện

Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kế đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đồi bán dẫn công suất như : truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chat, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau

Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dối ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch

lưu điện áp Các bộ biến đồi 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 tần số ra thay doi”

Bản báo cáo của em gồm 4 chương lớn:

> Chương 1:Phân tích lựa chọn phương án

> Chương 2:Tính toán mạch động lực

> Chương 3:Mô phỏng bộ biến đổi

> Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Trọng Minh cùng các thầy cô giáo bộ môn Tự

đông hóa đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này Trong quá trình làm đồ án, do lần

đầu tiếp cận với đồ án, chúng em không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được

các thầy cô chỉ bảo thêm

Hà Nội, tháng 5 năm 2008

Sinh viên

Vũ Đức Tân

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

Chương 1 Phân (ích lựa chọn phương án

I Phân tích yêu cầu công nghệ

1 Khái niệm chung về Nghịch Iưu độc lập (NLDL)

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (còn gọi là bộ biến đổi DC-AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải

NLĐL được phân loại thành :

>NLĐL nguồn áp

> NLDL nguén dong

> NL cộng hưởng

2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng

Sử dụng một nguồn điện với nội trở vô cùng lớn, đòng điện ra là không đổi, không

phụ thuộc vào tính chất của phụ tải

Nghịch lưu độc lập nguồn dòng gồm có:

>NLĐL nguồn dòng song song một pha

> NLDL nguén dong ba pha

3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp

NLĐL nguồn áp sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, MOSFET, BỊT do công nghệ chế tạo các phần tử này đã hoàn chỉnh hơn rất nhiều

Ở đây chúng ta có NL nguôn áp | pha, 3 pha

3.1 Nghich lưu độc lập nguôn áp một pha

Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn VI, V2, V3, V4 và các điôt ngược DI, D2, D3, D4 Các điôt ngược là bắt buộc phải có trong sơ đồ NLĐL nguồn ap, giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng với nguồn Nguồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co có giá trị đủ lớn, có 2 vai trò:

> San bang dién 4 áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu

> Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điôt ngược

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

Nếu không có tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ không có đường chạy cho dòng phản kháng dẫn đến quá điện áp trên các phần tu trong sơ đồ

3.2 Ngịch lưu độc lập nguôn áp ba pha

So đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, Võ và sáu điôt ngược D1, D2, D3,

D4, D5, Dó Tương tự như NLĐL nguồn điện áp một pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn

Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn Có thể dùng thêm bộ DC-DC đề có

điện áp vào mong muôn Phụ tải Za=Zb=Zc đâu Y hoặc A

4 Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguồn áp 3 pha

4.1 PWM (Pulse Width Modulation)

Phương pháp PWM thường được sử dụng, đảm bảo điện áp ra có dang hinh sin Dé dạng điện áp ra không phụ thuộc vào phụ tải ngưởi ta thường sử dụng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, mỗi pha của sơ đồ có thể điều khiển độc lập với nhau Cặp van trong mỗi pha được điều khiển ngược nhau(VI và V4, V3 và Vó, VŠ và V2)

Hình 3 Sơ đồ khói điều khiển PWM

> Tín hiệu sin chuẩn so sánh với tín hiệu răng cưa qua mạch so sánh có ngưỡng

>_ Tín hiệu điều khiển trong mỗi chu kỳ xung răng cưa Ts đối xứng theo mỗi nửa chu kỳ Ts⁄2

Vii Dic Tan TDH4-K50

biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau chính xác là 120° trong toàn bộ dải

điều chỉnh Điều này rất khó đảm bảo bằng các mạch

tương tự

4.2 SVM (Space Vector Modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian đang ngày

càng được sử dụng rộng rãi Đây là phương pháp biến

điệu hoàn toản sử dụng kĩ thuật số, có độ chính xác cao,

dễ dàng thực hiện trên các bộ xử lý tín hiệu số DSP, ví

dụ như dsPic

4.2.1 Cơ bản về vector không gian

Một hệ thống điện áp hay dòng điện 3 pha gồm ba

thành phần (ua, up, Uc) hay (ia, ip, ic) c6 thể được biểu

diễn bởi một vector trên mặt phăng tọa độ 0ø như sau :

we 3 (u, +au,+a uc)

K

Trong dé: a=e'> =-3+S (j là đơn vị số phức

ảo 7” =-I ) và u được gọi là vector không gian

Ua +2E⁄3 +E⁄3

-E/3 -2E/3

Như vậy, trên mặt phẳng tọa độ 0ø, u là một vector có độ dài bằng độ dài của điện

áp pha và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc 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

3) Sử dụng khái niệm trên, ta có thê mô tả hệ thống điện áp bởi vector không gian u ứng với mỗi 1/6 chu kì điện áp ra

Xét khoảng từ /¿ —>í,, có ba van dan là 1, 6, 2 và điện áp trên các van được mô tả

bởi vector u¡ có độ lớn 2E/3 Ứng Với uụ fa Có :

U,=2E/3

U, =U, =-E/3

Tương tự như vậy ta có 6 vecfor u¡,u¿ ,u; ,u ,u; ,uạ mô tả điện áp ba pha đối xứng

VỊ trí và giá trị các vector này xác định:

> Giá trị điện áp tức thời trong các van

> Luật đóng mở các van

Trong đó, luật đóng mở van phải đảm bảo:

Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì nếu đầu vào bị ngắn mạch sẽ sinh ra dòng lớn, phá hủy van

Không được hở mạch bất cứ pha nào đầu ra

Để đáp ứng được yêu cầu trên thì chỉ có 8 trạng thái của van, được biểu diễn như

bảng:

1 V6, V2, V1 2E/3 -E/3 -E/3 uiE- Ee —2 9

uạ=— Ee 3

tạ Ee 3

uss] Ee 3

uss Ee 3

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

Các vector u¡ với i=l,2 6 được gọi là các vector biên chuẩn, có hướng cố định

trong mặt phăng, lệch nhau một góc 60° b

Các vector này được biểu diễn trên hệ tọa Ị

độ 0œ tạo thành một lục giác đều, chia t

xector biên chuân

Độ đài của các vector biên chuẩn được

xác định dựa vào giá trị điện áp một chiêu

đầu vào : |u,|=2E/3=U

Gọi u là vector điện áp ra mong muốn, có Us

độ dài lu| =U, Hình 6 Các sector và vector biên chuẩn

Use

Xét khi vector khong gian u nam trong góc phần sáu số I Theo quy tắc hình bình

hành, ta có thể tong hop u tir hai vector bién uj, up :

9 là góc chỉ vị trí trơng đối của vector u trong góc phần sáu Bản chất của phép điều

chế vector không gian là tạo ra các vector uạ, u, trong mỗi chu kì tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kì cắt mẫu T; Độ đài các vector này được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian ton tại của các vector uj, U> trong mỗi chu kì T, :

giác đều trên nên ta có: 0<<—= Khi đó biểu thức (3) trở thành :

vector không uạ hay u; ứng với trạng thái điện áp ra bằng 0 Mặt khác, đề điện áp ra ít

bị méo thì Tạ„ được chia làm đôi và đặt vào đầu và cuối của T

4.2.4 Thuật toán điều chế vector không gian

Ta có thể tóm tắt thuật toán điều chế vector không gian gồm các bước sau :

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

> Lượng đặt ra là lượng điện áp ra mong muốn, có thê cho dưới dạng tọa độ cực

u=U,e'*, hoặc dưới dạng tọa độ vuông góc u= (u„.z,)

> Xác định vector u dang thuéc sector nao trong sau sector

> Lựa chọn hai vector biên chuẩn ứng với sector đó và vector không theo bảng sau đề đảm bảo số lần chuyền mạch xảy ra giữa các van là ít nhất :

> Tính toán các thời gian sử dụng các vector biên

4.2.5 Đặc điểm của phương pháp điều chế vector không gian SVM:

> Khác với phương pháp PWM kinh điển, SVM không 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 có thê áp đặt

chính xác các vector phải, trái, từ đó tính được t;, t, trong mỗi chu kì cắt mẫu

5 Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra biến đổi 3 pha phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

> Dam bao cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin

> Điều chỉnh vô cấp được tần số của điện áp ra trên tải

> An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự có

> 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 chi tiết về Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha, nó

được ứng dụng rộng rãi trong công 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 không gian SVM trong đồ án này

Đây là một phương pháp tiên tiến, ngày càng được sử dụng nhiều, tính chính xác

cao do sử dụng kỹ thuật sé

Trong các phần sau sẽ trình bày cụ thể hơn về mạch lực và mạch điều khiển cho nghịch lưu điện áp với tần số ra thay đồi

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

Chương II: Tính toán mạch động lực

I Tinh toán bộ nghịch lưu

1 Tính toán chọn van IGBT

*) Điện áp lớn nhất đặt lên van: Uv max (Y)- + †

Xét tại thời điểm van V, mo, van V, dan: =

Cực C của V, nối với cực dương của nguồn V, Ve

Van Ƒ; thông nối cực E cia V, với cực âm của nguồn

*) Dòng điện trung bình đi qua van:

Biêu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:

Ty “fn fsin(@n)[ + qsin(at + g)|\dot Rut gon ta duge: Tvy= <= q + 4 * cos)

Dòng trung bình qua van sẽ lớn nhất với tần số thấp là:

= Dong dién va dién áp định mức của van cần chọn là:

U vam = KU v max = 1:4.359,21 = 503(V) Tam = k -Dy =5.24,75 ¥ 124(A)

Vũ Đức Tan TDH4-K50 „

Từ 2 thông sô trên ta chọn IGBT GA200SA60U của hãng IR có các thông sô chính :

2 Tính toán chọn Diode

*) Điện áp ngược lớn nhât đặt trên van U dng max :

Xét thoi diém van V,, D4, khoa va van V,, D, thong:

Cuc Anode cua D, duge nối với cực âm của Vg

Cue Kathode ctia D4 do van D, thong nén ndi Voi yo

cuc duong cua Ve |

Như vậy điện áp ngược lớn nhât đặt lên van

Vũ Đức Tân TĐH4-K50

II Tinh toán bộ biên đổi 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 có biên độ theo yêu cầu

của đề bài

Van có tác dụng nạp năng lượng cho ———I #

cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với !

+ Khi van T thông cuộn L nạp năng =

lượng bằng dòng điện i, đi từ nguồn qua

+ Khi van khóa dòng qua cuộn cảm tiếp -

tục được duy trì băng dòng qua diôt D Hình 10 DC-DC

Với V,=const, dòng qua cuộn L có dạng

tuyến tính, do đó nếu 7,„ và 7„ là các giá E min max

trị lớn nhất và nhỏ nhất của dòng qua cuộn

max

E-V, i„ứ=0)=iy(ST) => Tin =Linax — 7 Pots)

3 Tinh toán chọn van IGBT

*) Điện áp lớn nhất đặt trên van [7 r„„„ :

Khi van T khóa thì van D sẽ thông nên điện áp đặt trên van T chính là

Từ các thông số trên ta chọn IGBT IRG4PC40S của hãng IR có các thông số chính:

*) Điện áp ngược lớn nhât đặt lên Diode: „

Khi van T thông thì Diode sẽ khóa nên điện áp ngược lớn nhât đặt lên Diode cũng là

Vii Dice Tan TDH4-K50 „

Từ các thông sô trên ta chọn Diode CR150-060 có các thông sô chính như sau:

So sánh giá trị C„ =12,8/zƑ của bộ nghịch lưu và gia tri C=11,1uF cia b6 DC-

DC, ta sử dụng C, chung cho 2 bộ nghịch lưu và DC-DC

III Tính toán mạch bảo vệ van bán dẫn

1 Mạch trợ giúp van (Snubber Circwif)

Quá tải dòng điện đưa IGBT ra khỏi trạng thái bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng lên đột ngột, phá hủy phần tử Khi khóa IGBÏT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng giảm dòng dl/dt quá lớn trên C-E lập tức đánh thủng phần tử, nó không chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà còn 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 IRG4PC40S sử dụng trong bộ nghịch

lưu dé dong cắt dòng điện 7 =20⁄4 dưới điện áp

E,=360V, với tần số chuyền mạch là

#q=20kHz tụ ký sinh của bản thân van là

Cc, = 800 pF, ta chọn các thông số mạch RC:

Œ, =2000pƑ, Ñ, = E„/1, =360/20 =18(O©)

+ Van IGBT SGL60N90DTU được sử dụng trong

bộ DC-DC đê đóng cắt dòng điện 7 =10⁄4 dưới

điện áp /„=360W với tần số chuyển mạch là

Jf, =10kHz,tu ky sinh của bản thân van là

Cc, =114pF, ta chọn các thông số mạch RC : Hình I2 Mạch bảo vệ