Đề số 23
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn ỏp với tần số ra thay đổi ” với cỏc
thụng sụ sau: | U vao Ura Ira f | 220V 127V 20A 40 > 400 Hz Mục Lục
Lời núi đầu I
Chương 1 Phõn tớch lựa chọn phương ỏn 2
I Phõn tớch yờu cầu cụng nghệ 2
II Lựa chọn phương ỏn 7
Chương 2 Tớnh toỏn mạch động lực 8
I Tinh toan bộ nghịch lưu 8
II Tớnh toỏn bộ biến đổi DC-DC 10
III Tớnh toỏn mạch bảo vệ van bỏn dẫn 12
Chương 3 Mụ phỏng bộ biến đổi 13
Chương 4 Thiết kế mạch điều khiến 15
I Phần cứng 15
II Lập trỡnh điều khiển phỏt xung 16
III Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT 20 driver
Tài liệu tham khảo 21
Trang 2Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
Lời núi đầu
Điện tử cụng suất cũn cú tờn gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiờn cứu ứng dụng cỏc phần tử bỏn dẫn trong cỏc bộ biến đồi đề khụng chế biến đồi nguồn năng lượng điện
Điện tử cụng suất được ứng dụng rộng rói trong hầu hết cỏc ngành cụng nghiệp hiện đại Cú thể kế đến cỏc ngành kỹ thuật mà trong đú cú những ứng dụng tiờu biểu của cỏc bộ biến đồi bỏn dẫn cụng suất như : truyền động điện, giao thụng đường sắt, nấu luyện thộp, gia nhiệt cảm ứng, điện phõn nhụm từ quặng mỏ,cỏc quỏ trỡnh điện phõn trong cụng nghiệp húa chat, trong rất nhiều cỏc thiết bị cụng nghiệp và dõn dụng khỏc nhau
Trong những năm gần đõy cụng nghệ chế tạo cỏc phần tử bỏn dẫn cụng suất đó cú những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nờn hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo cỏc bộ biến dối ngày càng nhỏ gọn, nhiều tớnh năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn
Trong cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất khụng thể khụng nhắc đến cỏc bộ nghịch
lưu điện ỏp Cỏc bộ biến đồi này ngày càng được ứng dụng rộng rói đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng Đõy cũng chớnh là đề tài của đồ ỏn
này:
* Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn ỏp với tần số ra thay doi” Bản bỏo cỏo của em gồm 4 chương lớn:
> Chương 1:Phõn tớch lựa chọn phương ỏn
> Chương 2:Tớnh toỏn mạch động lực
> Chương 3:Mụ phỏng bộ biến đổi
> Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển
Em xin chõn thành cảm ơn thầy Trần Trọng Minh cựng cỏc thầy cụ giỏo bộ mụn Tự
đụng húa đó hướng dẫn em hoàn thành đồ ỏn này Trong quỏ trỡnh làm đồ ỏn, do lần
đầu tiếp cận với đồ ỏn, chỳng em khụng trỏnh khỏi những sai sút, em rất mong được
cỏc thầy cụ chỉ bảo thờm
Hà Nội, thỏng 5 năm 2008
Sinh viờn
Trang 3Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
Chương 1 Phõn (ớch lựa chọn phương ỏn
I Phõn tớch yờu cầu cụng nghệ
1 Khỏi niệm chung về Nghịch Iưu độc lập (NLDL)
Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (cũn gọi là bộ biến đổi DC-AC) cú tần số ra cú thể thay đổi được và làm việc với phụ tải
độc lập
Nhiều loại phụ tải xoay chiều yờu cầu nguồn cung cấp cú cỏc tham số như điện ap, tần số cú thờ thay đổi được trong một phạm vi rộng
Trong thực tế, cac bộ biến tần được hợp: thành bởi cỏc bộ chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập để biến nguồn điện cú cỏc thụng sụ khụng thay đụi được thành nguồn điện cú cỏc thụng số thay đụi được, đỏp ứng mọi yờu cầu của phụ tải
NLĐL được phõn loại thành :
>NLĐL nguồn ỏp > NLDL nguộn dong
> NL cộng hưởng 2 Nghịch lưu độc lập nguồn dũng
Sử dụng một nguồn điện với nội trở vụ cựng lớn, đũng điện ra là khụng đổi, khụng
phụ thuộc vào tớnh chất của phụ tải
Nghịch lưu độc lập nguồn dũng gồm cú:
>NLĐL nguồn dũng song song một pha > NLDL nguộn dong ba pha
3 Nghịch lưu độc lập nguồn ỏp
NLĐL nguồn ỏp sử dụng cỏc van bỏn dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, MOSFET, BỊT do cụng nghệ chế tạo cỏc phần tử này đó hoàn chỉnh hơn rất nhiều
Ở đõy chỳng ta cú NL nguụn ỏp | pha, 3 pha 3.1 Nghich lưu độc lập nguụn ỏp một pha
Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn VI, V2, V3, V4 và cỏc điụt ngược DI, D2, D3, D4 Cỏc điụt ngược là bắt buộc phải cú trong sơ đồ NLĐL nguồn ap, giỳp cho quỏ trỡnh trao đổi cụng suất phản khỏng với nguồn Nguồn cung cấp là nguồn ỏp với đặc trưng là tụ Co cú giỏ trị đủ lớn, cú 2 vai trũ:
Trang 4Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
Nếu khụng cú tụ Co, hoặc tụ Co quỏ nhỏ sẽ khụng cú đường chạy cho dũng phản khỏng dẫn đến quỏ điện ỏp trờn cỏc phần tu trong sơ đồ
3.2 Ngịch lưu độc lập nguụn ỏp ba pha
So đồ gồm sỏu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, Vừ và sỏu điụt ngược D1, D2, D3,
D4, D5, Dú Tương tự như NLĐL nguồn điện ỏp một pha, cỏc điụt ngược cú vai trũ giỳp cho quỏ trỡnh trao đổi cụng suất phản khỏng giữa tải và nguồn cõn Tp! i Zant ps Re Be 1 2S Hỡnh 2 Mạch NLĐL nguụn điện ỏp cầu 3 pha E DC-DC | | aes
Đầu vào một chiều là nguồn ỏp với tụ C đủ lớn Cú thể dựng thờm bộ DC-DC đề cú
điện ỏp vào mong muụn Phụ tải Za=Zb=Zc đõu Y hoặc A
4 Cỏc phương phỏp điều khiển cho NLĐL nguồn ỏp 3 pha
4.1 PWM (Pulse Width Modulation)
Phương phỏp PWM thường được sử dụng, đảm bảo điện ỏp ra cú dang hinh sin Dộ dạng điện ỏp ra khụng phụ thuộc vào phụ tải ngưởi ta thường sử dụng biến điệu bề rộng xung hai cực tớnh, mỗi pha của sơ đồ cú thể điều khiển độc lập với nhau Cặp van trong mỗi pha được điều khiển ngược nhau(VI và V4, V3 và Vú, VŠ và V2) VỊ Mỏy phỏt sin chuõn V4 (SinA, SinB, SinC) Mỏy phỏt xung răng cưa
Hỡnh 3 Sơ đồ khúi điều khiển PWM
> Tớn hiệu sin chuẩn so sỏnh với tớn hiệu răng cưa qua mạch so sỏnh cú ngưỡng >_ Tớn hiệu điều khiển trong mỗi chu kỳ xung răng cưa Ts đối xứng theo mỗi nửa
Trang 5Vii Dic Tan TDH4-K50 " | L L 1 | | 1
Hỡnh 4 Đà thị xung điều khiển vao V3,V1,V5
Khú khăn nhất trong phương phỏp PWM đú là phải cú 3 súng hỡnh sin chuẩn cú
biờn độ chớnh xỏc bằng nhau và lệch pha nhau chớnh xỏc là 120° trong toàn bộ dải
điều chỉnh Điều này rất khú đảm bảo bằng cỏc mạch tương tự
4.2 SVM (Space Vector Modulation)
Phương phỏp điều chế vector khụng gian đang ngày càng được sử dụng rộng rói Đõy là phương phỏp biến điệu hoàn toản sử dụng kĩ thuật số, cú độ chớnh xỏc cao,
dễ dàng thực hiện trờn cỏc bộ xử lý tớn hiệu số DSP, vớ
dụ như dsPic
4.2.1 Cơ bản về vector khụng gian
Một hệ thống điện ỏp hay dũng điện 3 pha gồm ba thành phần (ua, up, Uc) hay (ia, ip, ic) c6 thể được biểu
diễn bởi một vector trờn mặt phăng tọa độ 0ứ như sau :
2 2
we 3 (u, +au,+a uc)
K
Trang 6Vũ Đức Tõn TĐH4-K50 Giả sử z„,„„.u„ là một hệ thụng điện ỏp ba pha : uU,= U,,cos(at); 2 uy =U,cos{ on); > u=U„eœ) 2 u, =U,,cos (ws); 3
Như vậy, trờn mặt phẳng tọa độ 0ứ, u là một vector cú độ dài bằng độ dài của điện
ỏp pha và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc gúc bằng ứ 4.2.2 Trạng thỏi của van và cỏc vector biờn chuẩn
Đối với hệ sơ đồ NL ỏp ba pha, điện ỏp trờn tải là hệ thống ba pha đối xứng ( hỡnh
3) Sử dụng khỏi niệm trờn, ta cú thờ mụ tả hệ thống điện ỏp bởi vector khụng gian u ứng với mỗi 1/6 chu kỡ điện ỏp ra
Xột khoảng từ /¿ —>ớ,, cú ba van dan là 1, 6, 2 và điện ỏp trờn cỏc van được mụ tả
bởi vector uĂ cú độ lớn 2E/3 Ứng Với uụ fa Cú : U,=2E/3
U, =U, =-E/3
Tương tự như vậy ta cú 6 vecfor uĂ,u¿ ,u; ,u ,u; ,uạ mụ tả điện ỏp ba pha đối xứng VỊ trớ và giỏ trị cỏc vector này xỏc định:
> Giỏ trị điện ỏp tức thời trong cỏc van > Luật đúng mở cỏc van
Trong đú, luật đúng mở van phải đảm bảo:
Khụng được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vỡ nếu đầu vào bị ngắn mạch sẽ sinh ra dũng lớn, phỏ hủy van
Khụng được hở mạch bất cứ pha nào đầu ra
Để đỏp ứng được yờu cầu trờn thỡ chỉ cú 8 trạng thỏi của van, được biểu diễn như bảng: STT | VAN DẪN UA Us Uc U 0 V4, V6, V2 0 0 0 ug=0
1 V6, V2, V1 2E/3 -E/3 -E/3 uiE- Ee —2 9
2 VI, V2, V3 E/3 E/3 -2E/3 2_ j2
uạ=— Ee 3
3 V2, V3, V4 -E/3 2E/3 -E/3 2 j2
tạ Ee 3
4 V3, V4, V5 -2E/3 E/3 E/3 ta He 2
5 V4, V5, V6 -E/3 -E/3 2E/3 2-2
uss] Ee 3
6 V5, V6, V1 E/3 -2E/3 E/3 2 ý
uss Ee 3
Trang 7Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
Cỏc vector uĂ với i=l,2 6 được gọi là cỏc vector biờn chuẩn, cú hướng cố định
trong mặt phăng, lệch nhau một gúc 60° b
Cỏc vector này được biểu diễn trờn hệ tọa Ị
độ 0œ tạo thành một lục giỏc đều, chia t mặt phẳng thành 6 gúc bằng nhau, đỏnh số tir I cho đến VI (hỡnh 6) us Ue 423 Tổng hợp vector điện ỏp từ cỏc
xector biờn chuõn
Độ đài của cỏc vector biờn chuẩn được
xỏc định dựa vào giỏ trị điện ỏp một chiờu
đầu vào : |u,|=2E/3=U
Gọi u là vector điện ỏp ra mong muốn, cú Us
độ dài lu| =U, Hỡnh 6 Cỏc sector và vector biờn chuẩn
Use
Xột khi vector khong gian u nam trong gúc phần sỏu số I Theo quy tắc hỡnh bỡnh
hành, ta cú thể tong hop u tir hai vector biộn uj, up : UR Ut Ue trong d6 u,, u; 1a hai vector phải và trỏi, lõn lượt năm đọc theo hai vector biờn uĂ và lạ Độ dài vector phải, trỏi được tớnh như sau : |u;|= đhlin|Š =9) “
9 là gúc chỉ vị trớ trơng đối của vector u trong gúc phần sỏu Bản chất của phộp điều
chế vector khụng gian là tạo ra cỏc vector uạ, u, trong mỗi chu kỡ tớnh toỏn, hay cũn gọi là mỗi chu kỡ cắt mẫu T; Độ đài cỏc vector này được xỏc định bởi giỏ trị trung bỡnh theo thời gian ton tại của cỏc vector uj, U> trong mỗi chu kỡ T, : f t |=“ s hus fu |=“u,) Q) s Từ (1) & (2) ta cú cụng thức tớnh toỏn giỏ trị thời gian điều chế : U, 2 a U, 2 t, =T,—-ssin| —-6@}; t,=7,—-—=sind (@ 7 u, V3 (3 U, V3 6) : hệ số biến điệu Do u chỉ quay giới hạn trong đường trũn nội tiếp lục Đặt 4= 1 v3 2 x 2 f„=Tq-=sin| ——0 |; t,=7;a-=sin0 p TR (3 ) IB
Trong khoảng thời gian cũn lại trong chu kỡ cắt mẫu, 7,„ =7, —f„—t,, ta phải đặt
giỏc đều trờn nờn ta cú: 0<<—= Khi đú biểu thức (3) trở thành :
vector khụng uạ hay u; ứng với trạng thỏi điện ỏp ra bằng 0 Mặt khỏc, đề điện ỏp ra ớt bị mộo thỡ Tạ„ được chia làm đụi và đặt vào đầu và cuối của T
4.2.4 Thuật toỏn điều chế vector khụng gian
Trang 8Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
> Lượng đặt ra là lượng điện ỏp ra mong muốn, cú thờ cho dưới dạng tọa độ cực
u=U,e'*, hoặc dưới dạng tọa độ vuụng gúc u= (u„.z,)
> Xỏc định vector u dang thuộc sector nao trong sau sector
> Lựa chọn hai vector biờn chuẩn ứng với sector đú và vector khụng theo bảng sau đề đảm bảo số lần chuyền mạch xảy ra giữa cỏc van là ớt nhất : Sector Vector | I II II IV Vv VI Up u, u, u; u, us uy Ur u, u, u, u, u, u, Đụ; u; tụ u, tụ u, tụ
> Tớnh toỏn cỏc thời gian sử dụng cỏc vector biờn
4.2.5 Đặc điểm của phương phỏp điều chế vector khụng gian SVM:
> Khỏc với phương phỏp PWM kinh điển, SVM khụng dựng cỏc bộ điều chế
riờng biệt cho từng pha mà tổng hợp vector u tớnh chung cho cả ba pha
> Sử dụng cỏc thiết bị điều khiển bởi vi xử lý, phương phỏp SVM cú thờ ỏp đặt
chớnh xỏc cỏc vector phải, trỏi, từ đú tớnh được t;, t, trong mỗi chu kỡ cắt mẫu
T
> Xung tam giỏc dựng so sỏnh cú dạng đối xứng nờn xung điều khiển cũng đối xứng, giảm được một số thành phần súng hài bậc cao
> Điện ỏp dõy của đầu ra mạch nghịch lưu lớn nhất bằng E trong khi phương phỏp PWM chỉ đạt chưa tới 90% E Ưu điểm này rất cú lợi trong thiết kế bộ điều khiển động cơ vỡ lỳc đú dũng điện giảm đi, với cựng một cụng suất 5 Yờu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn ỏp 3 pha
Bộ nghịch lưu nguồn ỏp với tần số ra biến đổi 3 pha phải thỏa món những yờu cầu sau:
> Dam bao cho dạng dũng điện ra trờn tải hỡnh sin
> Điều chỉnh vụ cấp được tần số của điện ỏp ra trờn tải
> An toàn đối với người vận hành cũng như cỏc phần tử của mạch khi gặp sự cú
> Chỉ phớ thiết kế vận hành thấp
H Lựa chọn phương ỏn
1 Lựa chọn phương ỏn mạch lực
Trong đồ ỏn này sẽ trỡnh bày chi tiết về Nghịch lưu độc lập nguồn ỏp ba pha, nú
được ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp như chế tạo bộ biến tần, điều khiển tốc độ động cơ, tiết kiệm năng lượng
2 Lựa chọn phương ỏn mạch điều khiến
Vỡ những ưu điểm đó trỡnh bày ở trờn nờn sẽ sử dụng phương phỏp điều chế vectơ khụng gian SVM trong đồ ỏn này
Đõy là một phương phỏp tiờn tiến, ngày càng được sử dụng nhiều, tớnh chớnh xỏc
cao do sử dụng kỹ thuật sộ
Trang 9Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
Chương II: Tớnh toỏn mạch động lực
I Tinh toỏn bộ nghịch lưu Eu Bor De Koa pe Ho The tt ph Hỡnh 7 Sơ đồ mạch NLĐL nguụn điện ỏp 3 pha E DC-DC Sử dụng hỡnh thức làm mỏt van tự nhiờn: + hệ số dự trữ dũng điện: kị =S + hệ số dự trữ điện ỏp: #„= l,4
1 Tớnh toỏn chọn van IGBT
*) Điện ỏp lớn nhất đặt lờn van: Uv max (Y)- + †
Xột tại thời điểm van V, mo, van V, dan: =
Cực C của V, nối với cực dương của nguồn V, Ve
Van Ƒ; thụng nối cực E cia V, với cực õm của nguồn
Ve ⁄
Như vậy điện ỏp lớn nhất đặt lờn cỏc van IGBT là:
423 M23:
Uy max =V g =3, Uan= 2025 l127=359,21(W)_ Hỡnh 8 VI khúa, V4 thụng Trong đú q là hệ số biến điệu (0 < q< 0.866)
*) Dũng điện trung bỡnh đi qua van:
Biờu thức dũng trung bỡnh qua van động lực trong một chu kỳ điện ỏp ra: Ty “fn fsin(@n)[ + qsin(at + g)|\dot
Rut gon ta duge: Tvy= <= q + 4 * cos)
Trang 10Vũ Đức Tan TDH4-K50 „
Từ 2 thụng sụ trờn ta chọn IGBT GA200SA60U của hóng IR cú cỏc thụng sụ chớnh :
+ Loại vỏ SOT227 + T„„=2004 + U„„=600V
+ Pu = 500/7 +J„„=1,90V + J„„=1000//4
2 Tớnh toỏn chọn Diode
*) Điện ỏp ngược lớn nhõt đặt trờn van U dng max :
Xột thoi diộm van V,, D4, khoa va van V,, D, thong:
Cuc Anode cua D, duge nối với cực õm của Vg
Cue Kathode ctia D4 do van D, thong nộn ndi Voi yo
cuc duong cua Ve | Như vậy điện ỏp ngược lớn nhõt đặt lờn van
U Dng max = V #8
Trang 11Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
II Tinh toỏn bộ biờn đổi DC-DC
Bộ biến đổi xung ỏp một chiều DC-DC dựng điều chỉnh điện ỏp một chiều đầu vào
cho mạch lực của nghịch lưu, đảm bảo cho điện ỏp ra trờn tải cú biờn độ theo yờu cầu
của đề bài
1 D it
1 Nguyờn lý làm việc +l bị
Van cú tỏc dụng nạp năng lượng cho ———I # cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với !
nguồn E T
+ Khi van T thụng cuộn L nạp năng = lượng bằng dũng điện i, đi từ nguồn qua El a L va van T: L`U — p dt „
+ Khi van khúa dũng qua cuộn cảm tiếp -
tục được duy trỡ băng dũng qua diụt D Hỡnh 10 DC-DC
Œ
và phụ tải: NG
Với V,=const, dũng qua cuộn L cú dạng
Trang 12Vũ Đức Tõn TĐH4-K50 2 Tham số điều chỉnh ở_ So - Ộ Yộu cõu bài toỏn thiệt kờ đặt ra là biờn đụi điện ỏp E=220V ban đõu thành nguụn ỏp Vy =359,21V ~360V Mội quan hệ giữa điện ỏp đầu ra và đầu vào của bộ biến đổi như sau: 1 E 220 =—— E> 6=1-— =1-—— x 0,39 Vers V, 360 Mặt khỏc ổ = : >t, =d6T Xung phỏt vào IGBT được lấy từ chõn RDO cua vi điều khiển cú tần số f =10kHz > T =10~s = t, = 0,39.10~*s = 0,039(ms)
3 Tinh toỏn chọn van IGBT
*) Điện ỏp lớn nhất đặt trờn van [7 r„„„ :
Khi van T khúa thỡ van D sẽ thụng nờn điện ỏp đặt trờn van T chớnh là Vy = Urimax „ =360f/ *) Dũng trung bỡnh qua van Ƒ„: , 6 Ta cú: Lash Trong do /,: la dũng tiờu thy trung bỡnh của bộ nghịch lưu từ nguồn 3 1,= 141„e9sỉ Chọn chế độ làm việc nặng nhất là khi cosy =1 0,39 16 ~10,23(A) 39 Dũng điện và điện ỏp định mức của van cần chọn là: U vam = 503V Tam = KT y =5-10,23 = 51,15(A)
Từ cỏc thụng số trờn ta chọn IGBT IRG4PC40S của hóng IR cú cỏc thụng số chớnh:
+ Loại vỏ TO247(B) + U „„=600V + T m= 60A + Parmax =160W +Ƒ,„=L5V + J„=250/A 4 Tớnh toỏn chọn Diode
*) Điện ỏp ngược lớn nhõt đặt lờn Diode: „
Trang 13Vii Dice Tan TDH4-K50 „
Từ cỏc thụng sụ trờn ta chọn Diode CR150-060 cú cỏc thụng sụ chớnh như sau: + T am =150A + „„= 600V + AU,=I,IV +J„=lA +Nhiệt độ cho phộp 7, = 200°C 5 Tinh toỏn chọn cuộn cảm L và tụ điện C + Cuộn cảm L: AI,= ore =L= ore với diộu kiộn sai s6 AJ, =0,1./, v 4 22 _ => L=0,39.10 4 220 698.10 4(H) 0,1.10,23 = 6,98(mH) + Tụ điện C: AV, =ðT => C=ð1 of với điều kiện sai sộ AV, =0,1V, C V, & Đ =C=0,39.10' 1gp CRIL10 5Œ) =111F)
So sỏnh giỏ 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 Tớnh toỏn mạch bảo vệ van bỏn dẫn 1 Mạch trợ giỳp van (Snubber Circwif)
Quỏ tải dũng điện đưa IGBT ra khỏi trạng thỏi bóo hũa dẫn đến cụng suất phỏt nhiệt tăng lờn đột ngột, phỏ hủy phần tử Khi khúa IGBẽT lại trong một thời gian rất ngắn khi dũng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng giảm dũng dl/dt quỏ lớn trờn C-E lập tức đỏnh thủng phần tử, nú khụng chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà cũn xảy ra khi tắt nguồn, khi dừng đột ngột hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bỡnh thường
Ở đõy ta sử dụng mạch trợ giỳp RC mắc song song với van (hỡnh 12) + Van IGBT IRG4PC40S sử dụng trong bộ nghịch
lưu dộ dong cắt dũng điện 7 =20⁄4 dưới điện ỏp
E,=360V, với tần số chuyền mạch là #q=20kHz tụ ký sinh của bản thõn van là Cc, = 800 pF, ta chọn cỏc thụng số mạch RC:
Œ, =2000pƑ, ẹ, = E„/1, =360/20 =18(Oâ)
+ Van IGBT SGL60N90DTU được sử dụng trong
bộ DC-DC đờ đúng cắt dũng điện 7 =10⁄4 dưới
điện ỏp /„=360W với tần số chuyển mạch là
Jf, =10kHz,tu ky sinh của bản thõn van là
Trang 14Vũ Đức Tõn TDH4-K50 ar s— nguon.é IL Lf | af dt Chương 3 Mụ phúng bộ biến đổi Ss L theta tham _so_dau_ra mach_dieu_thien do_xung Ampe ke2 mach_lud|GBT] RL, noi tiep Hỡnh 13 Sơ đồ mụ phỏng Cỏc khối trong sơ đồ mụ phúng
> Khội tham_so_dau_ra: khội này cú chức năng định giỏ trị đầu ra với hai tham
số,hệ số biến điệu m và tần số dũng điện ra f
Khối khoi_tao_xung:khối này nhận hai tham số m,f và sử dụng thuật toỏn SVM điều chế thành 6 xung phỏt vào 6 van của mạch lực
Khối mach_luc:mạch lực 6 IGBT đấu theo sơ đồ cầu 3 pha,nhận cỏc xung
điều khiển dẫn dũng theo qui luật để tạo dũng ra mong muốn
Khối DC_DC :khối này là bộ băm xung một chiều song song cú tỏc dụng nõng
mức điện ỏp lờn đề đạt được điện ỏp đầu ra mong muốn
Khối tai_RL_noi_tiep: day 1a tai gồm R và L nối tiếp,cú giỏ trị tạo choứ=30°
Khối Do Upha và Do Ipha chức năng như Ampe kế và Von kế để đo U pha
Trang 16Vũ Đức Tõn TĐH4-K50 Chương 4 Thiờt kờ mạch điờu khiờn I Phần cứng +5 VD Mach reset swt Mach phan ap + PWM +5 VD ==è 2K 1 èmreR 28 IPWM> m_ 2ẽ 2| MLCR AvDD Lấ—
=> ấ-| AN0/RBO Avss Lấó—* [EwM3>
1K = >< AN1/RB1 ——Ÿ-] AN2/RB2 PWM1H/RE1 PWM1L/REO Lấc [Ấy {EWwMð> —ÿ-| AN3/RB3 PWM2L/RE2 [53 >< AN4/RB4 PWM2H/RE3 —ÿ-| AN5/RBS PWMBL/RE4 [54 3] VSS PWM3H/RES T+ ử-| OSC1/CLKI VDD Lo: ° OSC2/CLKO/RC15 vss * 290 an 1 T $-] RC14 | Re12 Rr2 RF3 TP [46 eve ° 3| VDD FLTA/RE8 [Tế sap +5VD RD1 RDO Mach dao dong dsPic30F2010
Hinh 16 Mach dsPIC30F2010
1 Giới thiệu về vi điều khiến DSPIC30F2010
DSPIC30F2010 là bộ điều khiển số 16 bit của hóng Microchip cú cỏc tớnh năng như:
Bộ nhớ chương trỡnh/bộ nhớ lệnh: I2K/4K
Dung lượng SRAM: 512 Bytes Dung lượng EEPROM: 1024 Bytes
Ba bộ timer 16-bit
Bốn bộ Input Capture
Hai bộ Output Compare/Standard PWM Sỏu kờnh chuyờn dụng điều khiển motor PWM
Sỏu kờnh chuyển đổi A/D 10bit
Hỗ trợ Quandrature Encoder Interface Một giao tiếp UART
Một giao tiếp SPI Một giao tiếp I2C 2 Cỏc Module được sử dụng > Module ADC > Module TIMER > Module PWM 3 Mach ngoai vi > Mach reset: co tac dung khoi dộng lai vi điều khiển > Mạch dao động thạch anh:
⁄ Thạch anh tần số 20MHz cung cấp xung dao động cho vi điều khiển x⁄ Tụ lọc CI=C2=33pf giỳp ụn định xung dao động do thạch anh tạo ra > Mach phan ap: là đầu vào cho bộ chuyển đổi tương tự số ADC, qua đú cú thể
điều chỉnh dải tần làm việc cho nguồn 3 pha
> IGBT driver HCPL-316J: tiộp nhận xung từ PWM, xử lớ và phỏt vào mạch lực
Trang 18Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
1 Điều chớnh tần số dụa vào mạch phõn ỏp bờn ngoài
Sử dụng Module ADC, độ phõn giải 10 bit, ngừ vào AN0 oO
Với giải điều chỉnh tần số 40 +400(Hz), chon cỏc điện ỏp:
> OV tng voi 40Hz 1K
> 5V tng voi 400Hz
Tan sộ f =40+72xV (Hz)
Trong đú V là điện ỏp ở ngừ vao ADC
2 Khai bỏo cỏc hằng số, thiết lập Module PWM
2.1 Khai bỏo cỏc biển
> Khai bỏo cỏc biến nguyờn sử dụng trong chương trỡnh /?zh 78 Bộ phõn ỏp
v Gúc 9 định vị vectơ u trong khụng gian
v Thời gian phỏt xung: tị, tị, tạ, tpwm-
VY Theo 46 tyym=t; +t) + t= 2.1.=2.( ty + t+ tp)
> Khai bỏo tần số số thực thi lệnh và tần số PWM
FCY= 5000000; FPWM= 10000;
2.2 Thiột lap Module PWM
> Thiết lập Module PWM làm việc ở chế độ bự tức là cỏc cặp chõn ra
PWMIL&PWMIH, PWM2L&PWM2H, PWM3L&PWM3H phỏt xung ngược nhau
Thiết lập Module PWM hỗ trợ ngừ ra giúng hàng theo điểm giữa Khi sử dụng
Module PWM theo cỏch này thỡ Tpym=2xT;,
> Thiết lập tần số fowm bằng cỏch gỏn giỏ trị cho thanh ghi PTPER.Chọn hệ số PTMR Prescaler bằng một
PTPER = (FCY/FPWM - 1) /2
> Chu kỡ xung bằng 2 lần chu kỡ chu kỡ nhiệm vụ nờn để trỏnh phiền hà cho tớnh
toỏn sau này ta gỏn tpwm=2xPTPER 3 Cập nhập gúc 0 và lập bảng giỏ trị “sinefable[ J” 3.1 Cập nhập gúc 8 > Khởi tạo gúc 0 > Gúc 0 được cập nhập sau mỗi chu kỡ Tpwm, gọi m là số lần cập nhật trong một chu kỳ điện: m=—ẽ— = “2 tum = Sf - > Tớnh toỏn bước nhảy Aỉ sau mỗi chu kỡ Tpựm 1 m
3.2 Lap bang sintable[] Bang nay ghi lai cac gia tri:
sin@ = sin(0 + i1.A6)
vào mảng sintable[] với Ă = 0 aa trong do s là số lần cập nhật trong mỗi sector
Trang 19Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
4 Lập trỡnh phỏt xung
Thực hiện vũng lặp sau mỗi chu kỳ ty: > Bắt đầu gúc 9 được update 0=0+A9
> Sau đú dựa vào gúc 0 đề xỏc định vị trớ của vector u trong khụng gian
Cu thộ: nộu (n- ĐỀ <ỉ< mộ thỡ u sẽ nằm trong sector n và qua đú xỏc định được vevtor biờn chuẩn trỏi U„:, phải U, va vector khong ỦUạ„U;
> Tinh toỏn thời gian phỏt xung t; = 21, tị = 2tp, b = 2t
> Kờt hợp với cỏc vector biờn chuõn đó xỏc định thực hiện phỏt xung qua cỏc chõn PWM bằng cỏch đặt cỏc thời gian tương ứng lờn cỏc thanh ghi PDCX Tpwm Tpwm Te Ts Ts Ts Tous Tp Tt Joa Toa TẾ Tp Joa Toa) Tp Thou Toe Thal Te To Qi a4 Q3 od ae! asl Q2| L7 Truc doi xung |
Hỡnh 19 Sơ đồ xung phỏt vào cỏc van ở sector 1
+ Sector 1 + Sector 3 + Sector 5
PDCI = 2t, + 2t,+ to PDCI=t, PDCI1 =2t,+ t,
PDC2 = 2t,+ t, PDC2 = 2t, + 2t,+ ty PDC2=t,
PDC3 = tụ PDC3 = 2t,+ t, PDC3 = 2t, + 2t,+ ty
+ Sector 2 + Sector 4 + Sector 6
PDCI =2t; + tọ PDCI =tos PDC1 = 2t, + 2t,+ ty
PDC2 = 2t, + 2t+ ty PDC2 = 2t, + ty PDC2 =t, PDC3 = t, PDC3 = 2t, + 2t+ to PDC3 = 2tp + to
Nhõn xột
> Trong một chu kỡ T; van chuyờn mạch một lần, trong khi đú
F;=2*FPWM=20000Hz Vậy tõn sụ chuyờn mạch của van là 20000Hz
> Xung phỏt ra từ Module PWM được đưa vào IGBT driver
Trang 20Vũ Đức Tan TDH4-K50 5 IGBT driver HCPL-316J HCPL 3165 F——Â!] ww ve o1 | ox Tel lee Ả] 100 pF -—{2] va Yizoe, fas] == == lia} Lice See N
for tt] vee OESAT [t4 W—.è v x) on =) | pr - " d^ aa Ft La] anor vece {3} ka {s | RESET —] vẹ t2 + = Voce =18V ar ‘ reek + + Vee {s | FAurr Youy [H} Ry _ a „ [> 3-PHASE 390 pF == (7] Meo Vee [10 me oT fe OUTPUT + a2 LỊ —œ Vi EDy Vee [2 Vers -+ -+K+ -Kđô Mh Hỡnh 20 HCPL-316J Ngu6n:V,,., =+5V; Veg =-5V; V„.; =+18V;lấy từ mạch nguồn ở phần III (hinh 21) dưới đõy > Tớn hiệu vào: xung PWM từ chõn vi điều khiển vao chan Vin, chan Vin duge nối đất > Tin hiệu ra: chõn Vou cấp tớn hiệu điều khiển vào cực G của IGBT qua điện trở Ra
> Tớn hiệu DESAT: được lấy tir Collector qua diot Dpgsar qua mot mach loc tan
số thấp bằng điện trở 100O và tụ 100pF, đưa vào chõn 14 của IC Mức điện
ỏp ở chõn 14 được theo dừi để phỏt hiện mức bóo hũa của IBGT Nếu điện ỏp
này lớn hơn 7V sau khi cú tớn hiệu điều khiển mở IGBT chứng tỏ cú quỏ dũng
điện,mạch xử lớ logic khúa mềm sẽ phỏt tớn hiệu khúa và tự động tăng điện trở
đưa đến cực đến cỡ 500, lớn hơn 10 lần so với khi khúa mở thụng thường
6 Lập trỡnh phỏt xung vào IGBT của mạch DC-DC
Thuật toỏn:
Bước 1.Thiột lập chõn RDO cua dsPic30F2010 (hinh 16) 1a chan output
Bước 2 Xuất chõn RD0 ở mức cao
Bước 3.Thực hiện trễ trong thời gian 7 x ổ (ms)
Bước 4.Xuất chõn RD0 ở mức thấp
Bước 5.Thực hiện trễ trong thời gian 7 x(I—)(ms) Bước 6.Quay lại bước 2
Ă chỳ: * T là chu kỡ của xung phỏt vào IGBT của mạch DC-DC
* 6Đ là tham số điều chỉnh
VVVVVV
Trang 21Vũ Đức Tõn TĐH4-K50 HI Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT Driver RI DZ5 (TT 3V Unl OF re, | D4 Dộ aa = „„ 5y Un UY re of e † O+ l8/ Up7 P woo FELT Tans rf pi? C7 O- â 0W | D7] D7] C7 CT = T t DZ5 rT LE -ĐV Un? LM7805 VvINg vOUT Ọ D? D7 6 sự | =p C7 > CT Dĩ Dĩ O 0V Hỡnh 21 Mạch nguụn
Vi điều khiển sử dụng 3 nguồn điện ỏp 1 LM7805
chiờu +5V cũn 7 IGBT driver sử dụng 7
nguồn điện ỏp I chiều +18V và -SV vỡ vậy ok dp mg #M 8
ta phải thiệt kờ mạch nguụn 1 chiờu đờ cung 3W
cap cho cỏc chỉ tiệt nay of a Oy AN CT
1 Thiết kế nguồn DC +5V cho vi điều D7 Dĩ
khiến: | , 0
+ Nguụn I1 chiờu E (U vào) ban đõu được 0V
cung cấp cho bộ nghịch lưu ỏp 1 pha, tần số ;
Trang 22Vũ Đức Tõn TĐH4-K50
+ Điện ỏp ứ,(Ă) này được đưa vào cuộn sơ cấp của mỏy biến ỏp xung đề thay đổi biờn độ của xung theo yờu cầu tạo thành điện ỏp ứ„()
+ Điện ỏp ứ„(z) được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu I pha Đầu ra của bộ chỉnh lưu được
nối với cỏc tụ lọc và vi mach ổn ỏp 7805 để tạo ra điện ỏp DC +5V cú độ ồn định cao
cung cõp cho vi điờu khiờn
2 Thiết kế nguồn DC +18V và -5V cho IGBT driver:
+ Điện ỏp ứ,(/) được đưa vào cuộn so cap
của mỏy biến ỏp xung Cuộn thứ cấp của +18V
biến ỏp xung này cú điểm giữa nối đất tạo BAXI + Ả ng j DZ18 è Ượi
thành 2 điện ỏp z,(/)và„,() ngược pha Toe DI if Pe P
nhau le 3
+ Điện ap u,(t) duge dua qua bộ chỉnh lưu Ệ |ằ DI Dil ee cau 1 pha, qua bộ loc RC tạo thành điện ỏp 1 š
chiều Đồng thời dưới tỏc dụng ồn ỏp của
Diode Zener DZ18, diộn ap 1 chiộu nay sộ
ồn định ở giỏ trị 18V Hỡnh 23 Nguụn cho IGBT driver + Tuong tu diộn ap w,(t) cling duoc đưa qua bộ chinh lưu cau | pha Dưới tỏc dụng
của bộ lọc RC và Diode DZ5, điện ỏp 1 chiều đầu ra sẽ ồn định ở giỏ trị -5 V
Tài liệu tham khảo
> Giỏo trỡnh điện tử cụng suất-Trần Trọng Minh-Nxb Giỏo dục
> Điện tử cụng suất-Vừ Minh Chớnh, Phạm Quốc Hỏi, Trần Trọng Minh-
Nxb Khoa học kỹ thuật
> Điện tử tương tự-Nguyễn Trinh Đường, Lờ Hỏi Sõm, Lương Ngọc Hải,