(Đồ án) đồ án xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi nghịch lƣu độc lập điện áp một pha sử dụng phƣơng pháp spwm

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA: ĐIỆN ĐỒ ÁN: Xây dựng điều khiển cho biến đổi nghịch lƣu độc lập điện áp pha sử dụng phƣơng pháp SPWM Giáo viên hƣớng dẫn : TRẦN NGỌC SƠN Sinh viên : MAI NGỌC HOÀNG LONG Lớp : DHTD13A1ND Mã số SV : 19204300013 Nam Định, ngày tháng năm h NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nam Định, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn h LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kĩ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng phần tử bán dẫn công suất sử dụng ngày nhiều công nghiệp đời sống, đáp ứng nhu cầu cao xã hội.Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp,các biến tần đáp ứng tốt vấn đề này, sử dụng hệ truyền động điện…Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi từ điện chiều sang xoay chiều ứng dụng nhiều hệ truyền động điện Trong thời gian học tập nghiên cứu chúng em học môn điện tử công suất ứng dụng sản xuất đời sống Vì để nắm vững lý thuyết dụng kiến thức học vào thực tế chúng em nhận đồ án môn học với đề tài “thiết kế nghịch lưu áp pha” Trong thời gian thực đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô môn Điện Tử Công Suất- Thiết Bị Điện đặc biệt thầy Trần Ngọc Sơn tận tình hướng dẫn bảo chúng em.Tuy nhiên thời gian kiến thức có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án này.Vì chúng em mong nhận đóng góp thầy để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! h MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan đối tượng nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.1 Tổng quan nghịch lƣu độc lập điện áp pha .1 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý biến đổi .1 1.1.2 Ứng dụng biến đổi nghịch lưu độc lập pha 1.2 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp pha 1.2.1 Phương pháp điều khiển đơn giản 1.2.2 Phương pháp điều khiển SPWM 1.2.3 Phương pháp điều khiển điều chế vector không gian .9 1.3 Đặt toán 15 Chương 2: Tính toán, thiết kế biến đổi Error! Bookmark not defined 2.1 Tính tốn, thiết kế mạch lực 16 2.1.1 Tính tốn, thiết kế sơ đồ mạch lực 16 2.1.2 Tính tốn, lựa chọn phần tử mạch lực 19 2.2 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển .24 2.1.1 Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch điều khiển .24 Chương 3: Mô biến đổi Error! Bookmark not defined 3.1 Phần mềm mô .34 3.1.1 Các phần mềm mô 34 3.1.2 Lựa chọn phần mềm mô 38 3.2 Mô biến đổi 38 3.2.1 Xây dựng mơ hình mơ 38 3.2.2 Kết mô 41 Tài liệu tham khảo 44 Website tham khảo: 44 h DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp pha Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu áp pha .2 Hình 1.3 Các sóng hài bậc cao Hình 1.4: Phương pháp PWM Hình 1.5: Điện áp nghịch lưu PWM đơn cực Hình 1.6: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van cơng suất .7 Hình 1.7: Điều chế độ rộng xung lưỡng cực Hình 1.8: Điện áp pha 10 Hình 1.9 :các sector vector biên chuẩn .13 Hình 2.1: Sơ đồ khối dsPIC33FJ12MC202 27 Hình 2.2: Sơ đồ chân dsPIC33FJ12MC202 28 Hình 2.3: Cấu hình PLL cho dsPIC dịng MC 29 Hình 2.4: Chế độ Continous Up/Down Counting 30 Hình 2.5: Thay đổi giá trị PTPER 31 Hình 2.6: Thay đổi giá trị duty cycle .32 Hình 2.7: Sơ đồ khối chế độ hoạt động hỗ trợ 33 Hình 2.8 : Ví dụ đầu PWM chế độ hoạt động hỗ trợ 34 Hình 2.9: Sơ đồ khối 39 Hình 3.0: Mạch tạo nguồn .39 Hình 3.1: Mạch điều khiển .40 Hình 3.3: Mạch động lực 41 Hình 3.4: Sơ đồ mô proteus 42 Hình 3.5: Kết mô proteus .42 Hình 3.6: Tín hiệu điều khiển 43 h CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan nghịch lƣu độc lập điện áp pha 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý biến đổi a Đặc điểm cấu tạo Do nguồn đầu vào mạch nghịch lưu nguồn áp nên mạch nghịch lưu áp có tụ C (C→ ∞) mắc song song với điện trở nguồn Trong hình 1.1 số sơ đồ nghịch lưu áp pha sơ đồ cầu hình 1.1a, bán cầu hình 1.1b sơ đồ hình tia 1.1c nhiên dạng điện áp tham số chúng giống nhau, xét sở sơ đồ cầu hình 1.1a Sơ đồ nghịch lưu áp pha mô tả hình 1.1a gồm van động lực T1, T2, T3, T4 điôt D1, D2, D3, D4 để trả công suất phản kháng tải lưới Hình 1.1: Các sơ đồ nghịch lƣu độc lập điện áp pha h b Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ đầu tiên, cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải đấu với nguồn Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải E, sau khoản thời gian T1, T2 bị khóa đồng thời T3, T4 mở Tải đấu vào nguồn chiều theo chiều ngược lại Sau khoảng thời gian t q trình lập lại Điện áp nghịch lưu có dạng xung vng, có tần số fN tạo nhờ đóng mở cặp van T1, T2 T3, T4 cách có chu kỳ: fN=fđk Do thay đổi tần số điều khiển fđk thay đổi tần số nghịch lưu fN tuỳ ý Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lƣu áp pha c Ưu nhược điểm h  Ưu điểm: - Điều chỉnh tần số fN - Điện áp nghịch lưu dùng phương pháp khác để giảm sóng hài bậc cao - Các van sử dụng van điều khiển hồn tồn dễ dàng điều khiển đóng cắt van o - Cơng suất biến đổi phụ thuộc vào công suất van,mà công suất van động lực ngày lớn với kích thước ngày nhỏ gọn  Nhược điểm: - Số lượng van sử dụng nhiều - Điện áp có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện Hình 1.3 Các sóng hài bậc cao h 1.1.2 Ứng dụng biến đổi nghịch lưu độc lập pha ● Đảm bảo cho dạng dòng điện tải hình sin ● Điều chình vơ cấp tần số điện áp tải ● An toàn người vận hành phần tử mạch gặp cố ● Chi phí thiết kế vận hành thấp 1.2 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp pha 1.2.1 Phương pháp điều khiển đơn giản Ta sử dụng phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với pha lệch tần số khác : phương pháp thực đơn giản , van hoạt động nhẹ nhàng tần số chuyển mạch thấp , mạch lực mạch điều khiển phúc tạp dùng 1.2.2 Phương pháp điều khiển SPWM SPWM phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm h Hình 1.4: Phƣơng pháp PWM Gọi t1 thời gian xung sườn dương (khóa mở ) cịn T thời gian sườn âm dương, Umax điện áp nguồn cung cấp cho tải ==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D Với D = t1/T hệ số điều chỉnh tính % Như ta nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có : Điện áp trung bình tải :  Ud = 12.30% = 3,6V ( với D = 30%)  Ud = 12.60% = 7,2V (Vói D = 60%) h  Continous Up/Down Counting Mode  Double Update Mode Bốn chế độ lựa chọn bit PTMOD ghi PTCON Các kiện ngắt tạo đếm thời gian PWM phụthuộc vào bit (PTMOD) bit Postscaler (PTOPS) ghi PTCON Trong chế độ Continous Up/Down Counting đếm thời gian module PWM (PWM time base) đếm lên cho đếm với giá trị ghi PTPER Sau Timer bắt đầu đếm xuống lần xung clock Bit PTDIR set timer bắt đầu đếm xuống Trong chế độ kiện ngắt xảy giá trị ghi PTMR đếm thời gian PWM bắt đầu đếm lên Bit Postscaler nên chọn để giảm bớt số lần kiện ngắt xảy Hình 2.4: Chế độ Continous Up/Down Counting PWM Period 30 h PWM period định nghĩa cặp ghi PTPER ( PTPERH PTPERL) PTPER cặp ghi double buffered sử dụng để set chế độ đếm PWM time base Ở chế độ Up/down counting mode, nội dung PTPER buffer nạp vào 14 ghi PTPER PTMR zero Giá trị lưu PTPER buffer tự động nạp vào ghi PTPER PWM time base disabled (PTEN=0) Hình 2.5: Thay đổi giá trị PTPER PWM duty cycle PWM duty cycle xác định ghi PDCx ( PDCxH PDCxL) Có tổng cộng cặp ghi PWM duty cycle cho cặp xung PWM  PDC0 (PDC0L PDC0H)  PDC1 (PDC1L PDC1H)  PDC2 (PDC2L PDC2H)  PDC3 (PDC3L PDC3H) 31 h Giá trị ghi xác định khoảng thời gian mà ngõ PWM tích cực Khi PWM time base chế độ Up/Down couting, giá trị duty cycle update giá trị ghi PTMR zero PWM time base bắt đầu đếm lên Nội dung duty cycle buffer tự động cập nhật vào ghi duty cycle PWM time base bị disable ( PTEN=0) Hình 2.6: Thay đổi giá trị duty cycle Bộ tạo thời gian dead time Trong biến tần , xung PWM chế độ đối nghịch để điều khiển khóa cơng suất phía cao; phía thấp nhánh, phải chèn khoảng thời gian dead time Khoảng thời gian dead time làm cho ngõ PWM đối nghịch trạng thái không tác động khoản thời gian ngắn => tránh trùng dẫn khóa ON , khóa OFF Mỗi cặp xung PWM đối nghịch có counter bit đếm xuống, để chèn khoảng dead time vào xung PWM Mỗi tạo dead time có phát cạnh lên cạnh xuống kết nối với so sánh duty cycle Dead time nạp vào timer phát PWM cạnh lên hay cạnh xuống Tùy vào xung PWM 32 h cạnh lên hay cạnh xuống, mà khoảng thời gian chuyển tiếp làm trễ timer đếm zero Các chế độ PWM Output  Single Event PWM Operation  Edge-Aligned PWM  Center-Aligned PWM  Complementary Mode  Independent PWM Output Mode Trong chế độ hoạt động hỗ trợ (Complementary mode) , cặp tín hiệu PWM thu từ tín hiệu PWM hỗ trợ (Complementary PWM signal) Khoảng thời gian nghỉ (Dead Time) lựa chọn để đưa vào q trình đóng ngắt khố , hai tín hiệu có trạng thái tích cực thời gian ngắn Hình 2.7: Sơ đồ khối chế độ hoạt động hỗ trợ 33 h Hình 2.8 : Ví dụ đầu PWM chế độ hoạt động hỗ trợ CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI 3.1 Phần mềm mô 3.1.1 Các phần mềm mô Phần mềm Psim Phần mềm PSIM hãng Powersim Inc sản xuất, phần mềm mô thiết kế đặc biệt để mô mạch điện tử công suất, hệ truyền động điện Với khả mô nhanh, giao diện thân thiện dễ sử dụng phân tích dạng sóng tốt, PSIM công cụ mô mạnh mẽ cho việc phân tích biến đổi điện tử cơng suất, thiết kế vịng điều khiển kín, ngun cứu hệ thống truyền động điện PSIM gồm chương trình: – PSIM Schematic: Chương trình soạn thảo mạch nguyên lý, dùng để vẽ mạch cần mô (kết cho file với *.sch) 34 h PSIM simulator: trình mơ mạch ngun lý (cho kết có *.txt) – SIMVIEW: trình vẽ dạng sóng kết mơ phỏng, phân tích song Phần Mềm Matlab MATLAB (Matrix Laboratory) phần mềm khoa học thiết kế để cung cấp việc tính tốn số hiển thị đồ họa ngơn ngữ lập trình cấp cao 35 h MATLAB cung cấp tính tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác liệu linh hoạt dạng mảng ma trận để tính tốn quan sát Các liệu vào MATLAB nhập từ "Command line" từ "mfiles", tập lệnh cho trước MATLAB MATLAB cung cấp cho người dùng toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng tạo hộp cơng cụ riêng gồm "mfiles" viết cho ứng dụng cụ thể Chúng ta sử dụng tập tin trợ giúp MATLAB cho chức lệnh liên quan với toolbox có sẵn (dùng lệnh help) Ví dụ: Command Window: >> help plot Simulink công cụ Matlab dùng để mơ hình, mơ phân tích hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng đồ họa Việc xây dựng mơ hình đơn giản hóa hoạt động nhấp chuột kéo thả Simulink bao gồm thư viện khối với hộp cơng cụ tồn diện cho việc phân tích tuyến tính phi tuyến Simulink phần quan trọng Matlab dễ dàng chuyển đổi qua lại q trình phân tích, người dùng tận dụng ưu hai mơi trường Hướng dẫn sử dụng Simulink: Có thể mở Simulink cách: - Click vào biểu tượng hình (Simulink icon) 36 h Phần Mềm Proteus Proteus phần mềm sử dụng để mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm mô hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mô mạch ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in 37 h 3.1.2 Lựa chọn phần mềm mô Đối với tập xây dựng điều khiển cho biến đổi nghịch lưu độc lập điện áp bap sử dụng phương pháp SPWM , ta sử dụng phần mềm Proteus để mơ chương trình 3.2 Mơ biến đổi 3.2.1 Xây dựng mơ hình mơ Sơ đồ khối: 38 h Hình 2.9: Sơ đồ khối Sơ đồ mạch tạo nguồn Hình 3.0: Mạch tạo nguồn Sơ đồ khối điều khiển 39 h Hình 3.1: Mạch điều khiển Sơ đồ mạch lái mosfet 40 h Sơ đồ mạch động lực Hình 3.3: Mạch động lực 3.2.2 Kết mô Mạch mô sử dụng Proteus 41 h Hình 3.4: Sơ đồ mơ proteus Kết mơ phỏng: Hình 3.5: Kết mơ proteus 42 h Tín hiệu điều khiển đo được: Hình 3.6: Tín hiệu điều khiển 43 h Tài liệu tham khảo [1] Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2009 [2] Colonel Wm T McLyman Transformer and Inductor Design Handbook Marcel Dekker, Inc 2004 [3] dsPIC33FJ12MC201/202 Data Sheet High-Performance, 16-bit Digital Signal Controllers Microchip Techology Inc 2008 [4] MPLAB® C30 _ C Compiler User’s Guide Microchip Techology Inc 2007 [5] dsPIC33F Family Reference Manual Microchip Techology Inc 2006 [6] Application Note AN-978 HV Floating MOS-Gate Driver Ics International Rectifier 2007 [7] Data Sheet No PD60147 rev.U IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF International Rectifier 2005 Website tham khảo: http://www.dientuvietnam.net/forums/forum.php http://www.picvietnam.com/forum/ http://www.microchip.com/ http://www.irf.com/indexsw.html 44 h