Đồ án thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sơ đồ cầu 2

Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 🙣🕮🙡 ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÊN ĐỒ ÁN: Thiết kế nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sơ đồ cầu Giảng viên hướng dẫn:TS Nguyễn Thị Điệp Sinh viên thực hiện: Lê Đình Anh Mã sinh viên:20810430382 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Chun ngành: Tự đợng hóa và điều khiển thiết bị điện công nghiệp Lớp: D15TDH&DKTBCN4 Năm học: 2022-2023 Hà Nội, tháng năm 2023 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MƠN HỌC Họ tên sinh viên: Lê Đình Anh Mã số sinh viên:20810430382 Lớp: D15TDH&DKTBCN4 Chuyên ngành: Tự Động Hóa Và Điều Khiển Thiết Bị Điện Cơng Nghiệp Tên đề tài đồ án: Thiết kế nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sơ đồ cầu Các số liệu liệu ban đầu:  Nguồn cấp: chiều  Sử dụng van MOSFET  Sử dụng phương pháp điều khiển nghịch lưu đơn giản Yêu cầu:  Điện áp tải 3x380V, 100Hz  Công suất tải tối đa: 10kVA 3.Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 4.Ngày hoàn thành đồ án: …………… ………………… Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2023 Giảng Viên Hướng Dẫn T.S Nguyễn Thị Điệp Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Mục lục Lời nói đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 1.1: Giới thiệu chung .8 1.1.1: Khái niệm 1.1.2 Phân loại nghịch lưu 1.1.3: Van bán dẫn sửa dụng nghịch lưu 1.1.4: Ứng dụng nghịch lưu .8 1.2: Giới thiệu van MOSFET 1.2.1: Cấu tạo MOSFET 1.2.2 Cách phân cực cho mosfet .10 1.2.3: Đặc Tính Voltage -Ampe (VI) Mosfet 11 1.2.4: Điều kiện mở khoá van 12 1.3: Phân tích sơ đồ nghịc lưu đọc lập nguồn áp ba pha 12 1.3.1: Sơ đồ mạch lực 12 1.3.2: Nguyên tắc điều khiển mở van .13 1.3.3: Các biểu thức tính toán 17 1.3.4: Tụ điện chiều 18 1.3.5: Bộ lọc đầu 18 1.3.6: Cải thiện điện áp cho nghịch lưu độc lập điện áp 19 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 26 3.2 Tính tốn khâu mạch điều khiển 27 3.2.1 Phát xung chủ đạo 27 3.2.2 Khâu chi tần dùng flip-flop 28 3.2.3 Khâu tạo trễ 30 3.3.4: Khâu khuếch đại xung 31 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 4.1 Giới thiệu phần mềm mô PSIM 32 4.2 Sơ đồ toàn mạch 33 4.3 Kết Quả mô .34 4.3.1 Khâu Phát xung chủ đạo 34 4.3.2: Khâu phân phối xung 34 4.3.3 Khâu khuếch đại xung 36 4.3.4 Khâu tạo trễ mở 37 4.3.5: Dạng điện áp tải 38 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University DANH SÁCH BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Danh sách hình vẽ Trang Hình 1.1: Ứng dụng nghịch lưu thực tế Hình 1.2: Ký hiệu van mosfet 10 Hình 1.3: Cách phân cực cho mostfet 11 Hình 1.4: Đường đặc tính Volt -Ampe Mosfet 12 Hình 1.5: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 13 Hình 1.6: Luật điều khiển nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 14 Hình1.7: Điện áp tải 15 Hình1.8: Sơ đồ thay 16 Hình1.9: Sơ đồ thay 17 Hình1.10: Sơ đồ thay 17 Hình 1.11: Sự phụ thuộc hệ số sóng hài vào tham số ε 19 Hình 1.12 Các lọc tần cho nghịch lưu độc lập điện áp 19 Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha sơ đồ cầu 22 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 26 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc chung cho điều khiển nghịch lưu đơn giản 26 Hình 3.3: khâu phát xung chủ đạo 26 Hình 3.4 Khâu phân phối xung cho nghịch lưu độc lập 28 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Hình 3.5: bảng trạng thái 29 Hình 3.6: Sơ đồ cấu tạo JK 29 Hình 3.7: Phân phối xung cho nghịch lưu độc lập điện áp pha ⅄= 29 180 Hình 3.8: Khâu tạo trễ mở van 30 Hình 3.9 khâu khuếch đại xung 31 Hình 4.1: Giao diện hình phần mềm Psim 32 Hình 4.2: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 33 Hình 4.3: Dạng xung khâu phát xung chủ đạo 34 Hình 4.4: khâu phân phối xung 34-35 Hình 4.5 Khâu khuếch đạu xung 36 Hình 4.6: Khâu tạo trễ mở 37 Hình 4.7: Dạng điện áp tải 38 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Lời nói đầu Điện tử cơng suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chố độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày này, khơng riêng nước phát triển nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vự sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng ngày nhiều thành tựu cơng nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó chứng cho phát triển ngành công nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hóa đại hóa 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 cơng suất Cũng với lý đó, học kỳ em nhận đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế nghịch lưu độc lập nguồn áp pha” Với hướng dẫn cô Nguyễn Thị Điệp , em tiến hành nghiên cứu thiết kế đồ án Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót mặt thực tiễn , kính mong thầy đóng góp ý kiến để đồ án chúng em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 1.1: Giới thiệu chung 1.1.1: Khái niệm Nghịch lưu (DC/AC) thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp chiều (Direct current -DC) sang điện áp xoay chiều (Alternative current AC), Tần số Điện áp thay đổi 1.1.2 Phân loại nghịch lưu  Dựa theo đặc tính nguồn đầu vào: Chia làm hai loại nghịch lưu nguồn áp nghịch lưu nguồn dòng  Phân loại dựa theo sơ đồ đấu nối mạch nghịch lưu Ví dụ nghịch lưu cầu pha, nghịch lưu cầu ba pha  Nghịch lưu cộng hưởng Nguồn dòng nguồn có dịng điện khơng đổi theo tải tính chất tải Để tạo nguồn dịng cần nối nguồn DC với điện cảm đủ lớn Nguồn áp nguồn có điện áp khơng đổi theo tính chất tải Để tạo nguồn áp cần mắc song song với nguồn DC tụ điện đủ lớn Có nhiều cách để phân loại nghịch lưu Nhưng ba cách phổ biến 1.1.3: Van bán dẫn sửa dụng nghịch lưu Thông thường van bán dẫn sửa dụng nghịch lưu van điều khiển hoàn toàn Đối với nghịch lưu nguồn áp dùng: Dùng transistor, Mosfet, IGBT Đối với nghịch lưu nguồn dịng dung: IGBT, Thyristor Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 1.1.4: Ứng dụng nghịch lưu  Ứng dụng rộng rãi lĩnh vực lượng tái tạo Như hệ thống pin mặt trời, tubin điện gió ,…  Trong lĩnh vực xe điện (Electric vehicle) Như xe điện Vinfast, texla … Ví dụ: Nhìn vào ví dụ bên (hình1.1) thấy nghịch lưu ứng dụng xe điện Nguồn cung cấp cho nghịch lưu nguồn ắc quy chiều Động sửa dụng để truyền động bánh xe động không đồng xoay chiều ba pha Muốn sửa dụng nguồn ắc quy cấp cho động thơng qua nghịch lưu để chuyển từ điện áp chiều ắc quy sang điện áp sửa dụng động Hình1.1: Ứng dụng nghịch lưu thực tế Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 1.2: Giới thiệu van MOSFET 1.2.1: Cấu tạo MOSFET Mosfet tên viết tắt Metal oxide semiconductor field effect transistor phần tử điều khiển hoàn tồn dùng áp để điều khiển Ký hiệu: Hình1.2 Ký hiệu van mosfet Cấu trúc van mosfet bao gồm ba cực:  D- Cực máng  S- Cực nguồn (cực S nối cực S cực B) Thơng thường khơng thấy cực B nối chung với cực S mosfet  G- Cực điều khiển Cực gốc (S) nối với lớp P cực máng(D) nối với lớp N trường hợp bình thường khơng có kênh dẫn D S Cực gate (G) nằm cách ly hoàn toàn lớp Oxide kim loại có điện trở suất lớn Nhìn cấu trúc mặt cắt, thấy chúng cách ly hoàn toàn với cấu cực S D Khi đặt điện áp dương vào cực G đến mức độ gọi điện áp ngưỡng lỗ P bị đẩy ra, đồng thời hút điện tích hút đến, tạo kênh dẫn S D Dịng điện qua lớp bán dẫn Chính cịn gọi Mosfet với tên gọi khác Transistor hiệu ứng trường có cổng cách ly 10 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Chọn điện áp nguồn E=+-15V sử dụng diot ổn áp nối tiếp đối đầu với U oa=12V,có điện đầu OA1 cực đại Um=Uoa+Udz=12+0,7=12,7V (3.3) Khoảng thời gian nửa chu kì điện áp cưa phải biến thiên giá trị hai lần biên độ điện áp tam giác U ng 2x10=20 V.Do thể biến thiên điện áp rút ra: (3.4) Tính tốn cưa hai cực tính với biến độ +-5V (3.5) Thay số vào có với tần số tải 100hz T = 1/100 = 0.01s Thay số liệu vào công thư 3.5 CR1 = 12.7 01=0.00635(s) 4.5 Chọn C = 20nF R1 = 0.00635 =317.5(kΩ) 20.10−9 Chọn R1=318k để hiệu chỉnh tần số băm xung (3.6) Có R2=10k R3=3,94k nhiên chọn R2=10k R3=5k để bảm bảo biên độ xung tam giác Chọn R4=5k để điều chỉnh điện áp dịch xung tam giác cho điểm thấp lớn khơng có biên độ khoảng 10V 28 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 3.2.2 Khâu chi tần dùng flip-flop Khâu chia tần dùng flip-flop khâu phía sau khâu phát xung chủ đạo Hình 3.4 Khâu phân phối xung cho nghịch lưu độc lập Bảng trạng thái mạch J-K Clock Cấu tạo Triger J K Qn+1 Cấu tạo mạch J-K: 0 Qn - Mạch trigo J-K cấu tạo từ 1 phần tử logic NAND - Đầu vào kích hoạt khối xung clock Đầu Q Q đảo 0 1 Đảo Qn Hình 3.5 Bảng trạng thái J-K Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo JK 29 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Hình 3.7 Phân phối xung cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha ⅄= 1800 Tr1 = Q1; T4 = Q1; T3 = Q2; T6 = Q2; T5 = Q3; T2 = Q3; Hình 3.8 Phân phối xung cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha ⅄= 1200 30 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 3.2.3 Khâu tạo trễ Hình 3.9 Khâu tạo trễ mở Bộ tạo trễ có tác dụng chống ngắn mạch xuyên thông hai van thẳng hàng chúng chuyển trạng thái, thực nhờ phần tử logic L1, L2 với nhóm R, C, D Ở sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở R đưa vào tới cổng vào logic L loại có ngưỡng trigo schmit, thời gian trễ gần 0,7RC Điện áp vào 0, tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ khơng đáng kể.Thực tế thời gian trễ nằm khoảng 1,3us đến 10us tùy loại van lực tần số làm việc mạch Do nguồn E > 5V nên dùng IC họ CMOS, chọn phần tử chip IC loại CD493 CD4584 Chọn C3 =10nF (3.8) Vậy chọn R theo chuẩn chế tạo R = 5k 31 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 3.3.4: Khâu khuếch đại xung Hình 3.10 Khâu khuếch đại xung Khâu khuếch đại sử dụng driver M57915L có cách ly quang, điện trở R để hạn chế dòng qua điot phát quang.Với M57915 yêu cầu dòng điện cho diot quang 7mA, nên biểu thức tính điện trở hạn chế là: (3.9) (3.10) R11: 300 R12: 500 , R13: 800 32 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG 4.1 Giới thiệu phần mềm mơ PSIM Phần mềm sử dụng để mô phần mềm PSIM PSIM phần mềm mô thiết kế đặc biệt để mô mạch điện tử công suất, hệ truyền động điện Thư viện PSIM phong phú đa dạng 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, nghiên cứu hệ thống truyền động điện Hình 4.1 Giao diện hình phần mền Psim Phần chuẩn (Standard) gồm File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help Mọi thao tác PSIM thực từ chuẩn Thanh bao gồm công cụ hay dùng, New, Save, Open, … lệnh thường dùng Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng) … Thanh linh kiện thường dùng điện trở, cuộn cảm, tụ điện, thyristor… Sau mô xong mạch lực mạch điều khiển, vào Simulate ≫ Simulation Control Một biểu tượng đồng hồ ra, đặt vào vị trí tùy ý trang vẽ, 33 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University hộp thoại Time Step bước thời gian tính tốn, Total Time tổng thời gian bạn muốn chương trình chạy mơ phỏng, đơn vị giây Đó thông số quan trọng Việc đặt Time Step Total Time cần phù hợp với mạch Time Step nhở mơ xác đường đồ thị mịn, nhiên chọn Time Step nhỏ Total Time lớn thời gian chạy lâu Chọn xong thông số mô phỏng, bạn chạy mô cách: Simulate ≫ Run Simulation Chương trình PSIM Simulation chạy sau SIMVIEW tự động chạy cửa sổ chương trình SIMVIEW Nếu không ra, bạn vào Simulate ≫ Run SIMVIEW Cửa sổ SIMVIEW với hộp thoại, hộp thoại có đại lượng hiển thị, bạn muốn hiển thị đồ thị chọn đại lượng ấn Add, sau OK Tên đại lượng để mặc định, bạn nên đặt lại tên theo ý để dễ theo dõi cách click đúp đặt lại tên phần tử PSIM Schematic Cần lưu ý là, đại lượng có giá trị khác nhau, hiển thị hệ trục tọa độ khơng nhìn thấy đồ thị đại lượng nhỏ, để quan sát đầy đủ, bạn hiển thị đồ thị hệ khác cách: Screen ≫ Add Screen Muốn thêm hay bớt đồ thị screen nào, bạn click chuột vào khu vực screen đó, dấu màu đỏ góc bên phải screen, đánh dấu screen chọn, sau dùng lệnh Screen ≫ Add/Delete Curve 4.2 Sơ đồ toàn mạch Hình 4.2 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 34 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 4.3 Kết Quả mô 4.3.1 Khâu Phát xung chủ đạo Hình 4.3 Dạng xung khâu phát xung chủ đạo 4.3.2: Khâu phân phối xung 35 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Hình 4.4 Khâu phân phối xung 36 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 4.3.3 Khâu khuếch đại xung Hình 4.5 khâu khuếch đại xung 37 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 4.3.4 Khâu tạo trễ mở Hình 4.6 khâu tạo trễ mở 38 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 4.3.5: Dạng điện áp tải Hình 4.7a Hình 4.7b Hình 4.7a,b dạng điện áp tải 39 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University Nhận xét kết mô Kết điện áp đầu nhận tải hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết, dạng điện áp tải dạng bậc thang KẾT LUẬN - Sử dụng thành thạo phần mềm mơ PSIM - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp pha - Hiểu phương pháp điều khiển nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha - Thiết kế mạch điều khiển nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha - Mô mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha phần mềm PSIM Tuy nhiên, thời gian có hạn nên chúng em chưa thể hoàn thành phần cứng mạch điều khiển số kết mơ mang tính tương đối so với lý thuyết học Vì chúng em mong nhận góp ý thầy bạn để báo cáo hoàn thiện 40 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất: Phạm Quốc Hải Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2009 [2] Điện tử cơng suất: Võ Minh Chính(chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] Điện tử công suất lý thuyết, thiết kế, ứng dụng: Lê Văn Doanh Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Điện tử cơng suất: Nguyễn Bính Nhà xuất Giáo dục, 2000 41 Khoa điều khiển tự động hoá Trường Đại Học Điện Lực – Electric Power University 42 Khoa điều khiển tự động hoá