Đồ án cơ điện đề tài thiết kế bộ nghịch lưu nguồn áp độc lập một pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP ĐỘC LẬP MỘT PHA HỌ VÀ TÊN : MAI ĐỨC DƯƠNG MSSV : 38164 LỚP : 64MEC HÀ NỘI, NĂM 2023 1|Page MỤC LỤC CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU .3 1.1 Giới thiệu chung nghịch lưu 1.2 Phân loại .3 1.2.1.Nghịch lưu áp 1.2.2.Nghịch lưu dòng CHƯƠNG PHÂN TÍCH MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ÁP 2.1 Phân tích nghịch lưu áp pha 2.2 Giới thiệu cách điều chế 10 2.2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung SinPWM 10 2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian điện áp – SVM 12 2.2.3.So sánh phương pháp điều chế SinPWM phương pháp điều chế SVM 13 CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA ĐỘC LẬP 14 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 14 3.2 Các phương pháp chọn van cho sơ đồ 15 3.2.1 Phương pháp toán tử Laplace 15 3.2.2 Phương pháp điều khiển sóng vng 15 3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM 17 2|Page 3|Page CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 1.1 Giới thiệu chung nghịch lưu Bộ nghịch lưu biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp chiều , nhờ khoá chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào đầu cách chu kỳ để tạo nên đầu xoay chiều 1.2 Phân loại Các nghịch lưu phân thành hai loại : 1.2.1.Nghịch lưu áp - Bộ nghịch lưu áp thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Hơn điện áp nghịch lưu điều chế theo phương pháp khác để giảm sóng điều hòa bậc cao - Trước nghịch lưu áp bị hạn chế ứng dụng cơng suất van động lực điều khiển hồn tồn cịn ngỏ Hơn việc sử dụng nghịch lưu áp tiristo khiến hiệu suất biến đổi giảm , sơ đồ điều khiển phức tạp - Ngày công suất van động lực IGBT , MOSFET trở nên lớn kích thước gọn nhẹ , nghịch lưu áp trở thành biến đổi thơng dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp trở thành biến đổi thông dụng chuẩn hịa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau sử dụng van điều khiển hoàn toàn - Sơ đồ mạch nghịch lưu áp trình bày sau * Sơ đồ nguyên lý 4|Page Hình1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp pha b, Nguyên lý làm việc - Giả sử T2 T4 cho dòng chạy qua ( dòng tải từ B đến A ) Khi t=0 cho xung mở T1 T3 , T2 T4 khóa lại, dịng tải i s= - I M đảo chiều cách đột ngột Nó tiếp chảy theo chiều cũ theo mạch D1 đến E đến D3 đến tải D1 suy giảm dần , D1 D3 dẫn dòng khiến T1 T3 vừa kịp mở bị khóa Khi t= t , i =0 , D1 D3 bị khóa lại , T1 T3 mở lại sung điều khiển tác động cực G1,G3 dòng tải i > tăng chảy theo chiều từ A đến B - Giai đoạn t = đến t1 giai đoạn hoàn lượng Khi t = T/2 (tại thời điểm t 2) cho xung mở t T4,T1 T3 bị khóa lại , dịng tải chạy qua D2 D4 khiến cho T2 T4 vừa kịp mở bị khóa lại Khi t = t , i=0 , T2 T4 mở lại , i < chảy theo chiều B đến A Dòng tải I biến thiên theo quy luật hàm mũ hai giá trị Im –Im c, Dạng sóng dịng điện , điện áp mạch 5|Page Hình : Dạng sóng dịng điện , điện áp mạch nghịch lưu áp pha 1.2.2.Nghịch lưu dòng - Bộ nghịch lưu dịng nghịch lưu có nguồn dịng điện Bộ nghịch lưu dòng sử dụng lĩnh vực truyền động động điện xoay chiều cho cảm ứng Tương tự nghịch lưu áp , ta phân biệt nghịch lưu dòng với trình chuyển mạch cưỡng nghịch lưu dịng với trình chuyển mạch tư nhiên ( phụ thuộc ) - Bộ nghịch lưu dịng có q trình chuyển đổi cưỡng áp dụng cho tải tổng quát Trong trường hợp tải mang tính dung kháng , nghịch lưu sử dụng với q trình chuyển mạch phụ thuộc sử dụng linh kiện bán dẫn Thyristor - Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng pha trình bày sau Hình1.1 : sơ đồ cấu pha * Nguyên lí làm việc 6|Page Các tín hiệu điều khiển đưa vào đơi thyritstor T1,T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3,T4 góc 180 độ điện Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn dịng điện vào id san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu nguồn dòng dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vng Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2, dòng điện i = i d =I d Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến,tụ C bắt đầu nạp với cực (+) bên trái cực (-) bên phải Khi tụ C nạp đầy, dịng qua tụ giảm khơng Do i = i c =id =const , nên lúc đầu dịng qua tải nhỏ sau dịng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ (t=t ¿ người ta đưa vào mở cặp T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo q trình phóng điện tụ C từ cực (+) cực (-) Dịng phóng ngược chiều với dòng qua T1,T2 làm cho T1 T2 bị khóa lại Q trình chuyển mạch gần tức thời Sau tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) bên phải cực (-) bên trái Dòng nghịch lưu i ¿i d =−i d ( đổi dấu) Đến thời điểm t =t , người ta đưa xung vào mở T1,T2 T3,T4 bị khóa lại q trình lặp lại trước Như chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho Thyritstor Tại thởi điểm t1, mở T3 T4 T1 T2 bị khóa lại điện áp ngược tụ C đặt vào Khoảng thời gian trù điện áp ngược ( t ¿ t ' 1¿ ¿¿ cần thiết để trì trình khóa phục hồi tính điều khiển van t ' 1−t 1=t k ≥ t off thời gian khóa Thyritstor thời gian phục hồi tính điều khiển β=w.tk góc khóa nghịch lưu * Biểu đồ xung sơ đồ cầu pha 7|Page CHƯƠNG PHÂN TÍCH MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ÁP 2.1 Phân tích nghịch lưu áp pha - Giả thiết hai pha tải đối xứng : ut 1+u t 2=0 - Nguồn áp U phân chia làm hai nửa với điểm nút phân O Gọi N điểm nút tải hai pha Điên áp pha tải ut , ut ta có : ut 1=u10−u NO ut 2=u20−u NO 8|Page - Điện áp u10 ,u 20 gọi điện áp pha ut 1+u t 2=0 ta có : Cộng hệ thức để ý 0=u10 +u20−2 uNO Từ u NO = u 10+u20 Thayu NO vào biểu thức tính điện áp pha tải , ta có: u t u10−u20 ut = = 2 ut 2= Rõ ràng ut = −ut u20−u10 = 2 ut −ut = =u10−u 20 2 Nếu cơng tắc kích theo quy tắc đối nghịch , ta xác định dạng áp tải dựa giản đồ kích cơng tắc điện áp nguồn u10= +U kích S1 ngắt S4 u10= −U kích S ngắt S u20= +U kích S3 ngắt S2 u20= U kích S2 ngắt S3 9|Page 2.2 Giới thiệu cách điều chế Có nhiều phương pháp thuật toán đưa để điều khiển nghịch lưu đa bậc Nhưng có ba phương pháp thường chọn sử dụng phương pháp sau: - Phương pháp điều chế độ rộng xung (SINPWM) - Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO –PWM) - Phương pháp điều chế vector không gian.(SVM) 2.2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung SinPWM SinPWM phương pháp so sánh sóng sin chuẩn , có tần số tần số điện áp sau nghịch lưu mong muốn , với điện áp cưa tần số cao khoảng 2kHz – 10kHz , từ đố thay đổi độ rộng xung đưa vào van Nguyên lý điều chế SinPWM Có hai phương pháp điều chế sóng mang : - Dịch pha sóng mang ( Phase – shifted ) - Dịch mức sóng mang ( Level – shifted ) a) Dịch pha sóng mang 10 | P a g e Ở phương pháp sóng mang dịch góc q ( q góc dịch pha sóng mang liên tiếp ) so sánh với sóng sin chuẩn , ( N số van tác động mức điện áp ) Phương pháp dịch pha sóng mang b) Dịch mức sóng mang Thực N -1 sóng mang có cung biên độ tần số , với N số SM nhánh pha Với tín hiệu sóng mang tạo mức điện áp cho nghịch lưu Ta có kiểu bố trí sóng mang : - IDP ( In Phase Disposition ) Sóng mang pha - POD (Phase Opposite Disposition ) Sóng mang đối xứng qua trục thời gian - APOD ( Altermative Phase Opposite Disposition ) Sóng mang ngược pha hai sóng mang kề , dịch góc 11 | P a g e Phương pháp dịch mức sóng mang Ưu điểm phương pháp điều chế SinPWM :  Đơn giản , dễ thực  Việc điều chỉnh điện áp tần số thông qua điều chỉnh biên độ tần số điện áp điều khiển đưa vào mạch điều chế V Nhược điểm phương pháp điều chế SinPWM :  Điện áp common mode ( điện áp tâm tải tâm nguồn DC ) lớn nguyên nhân gây hư hỏng động  Các khóa cơng suất đóng cắt theo điện áp điều khiển sóng mang khơng lựa chọn khơng tối hóa để giảm số lần chuyển mạch nên tổn hao lớn 2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian điện áp – SVM Phương pháp điều chế vector không gian Space Vector Modulation (SVM ) xuất phát từ ứng dụng vector không gian máy điện xoay chiều , sau 12 | P a g e mở rộng triển khai hệ thống điện ba pha SVM dễ dàng linh hoạt để tối ưu hóa xung chuyển mạch tồn trạng thái mạch dự phòng chu kỳ điều chế điều chỉnh phù hợp để thực kỹ thuật số Trên lý thuyết điều chế vector khơng gian ứng dụng cho biến đổi nhiều mức Tuy nhiên , khó khăn việc tính tốn vector trạng thái tăng số lượng mức điện áp , số lượng điện áp lớn cần chọn phương pháp phù hợp Điều chế vector chủ yếu ứng udngj điều khiển chuyển động xoay chiều ba pha , mạch lọc tích cực , điều khiển hệ thống công suất hệ thống truyền tải điện Nguyên lý phương pháp điều chế vector khơng gian  Xem điện áo hình sin vector có biên độ khơng đổi quay với tốc độ ( tần số ) không đổi  Kỹ thuật PWM thực xấp xủ điện áp đặt Vref kết hợp tám vector chuyển mạch từ ( V0 đến V7 )  Chuyển đổi tọa độ ( từ hệ tọa độ tự nhiên abc sang hệ tọa độ cố định Stato αβ) : Một vector điện áp ba pha chuyển thành vector hệ tọa độ cố định αβ mà thành phần thể thành phần vector không gian tổng điện áp ba pha  Các vector ( V1 đến V6 ) chia mặt phẳng thành sáu phần – Sector ( sector : 60 ° )  Vref tạo cách kết hợp hai vector tích cực hai vector zero 2.2.3.So sánh phương pháp điều chế SinPWM phương pháp điều chế SVM  Phương pháp điều chế SVM tạo sóng hài điện áp dịng điện so với phương pháp điều chế SinPWM  SVM tận dụng hiệu điện áp chiều đầu vào so với SinPWM → SinPWM : Vùng điều chế nằm phía đường trịn có bán kính → SVM : Vùng điều chế nằm phía đường trịn có bán kính 13 | P a g e Tận dụng điện áp : SVM 1,15 lần so với SinPWM CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA ĐỘC LẬP 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch NGUỒN KHỐI CHỈNH 220 VAC LƯU KHỐI LỌC KHỐI CÔNG SUẤT KHỐI ĐIỀU KHỐI KHIỂN KHUẾCH ĐẠI TẢI NGUỒN ĐIỀU KHIỂN Hình: Sơ đồ khối toàn mạch 14 | P a g e 3.2 Các phương pháp chọn van cho sơ đồ 3.2.1 Phương pháp tốn tử Laplace Dịng điện áp xoay chiều tải Ut chuyển đổi dạng biến đổi Laplace sau: t U t ( p) = − pt e E dt − pt ∫ 1−e I t ( p )= Ut ( p ) Z ( p) Lt ( p ) = [ Rt t Lt E e 1− −R Rt 1+e L t t T ] Phương pháp phức tạp nên dùng 3.2.2 Phương pháp điều khiển sóng vng Tải (R+L) Ta có biểu thức dịng tải i (T , T ¿ mở : L di di a E + R i=E → +a i= dt dt R Dạng Laplace pI ( p )−i ( ) +a I ( p ) = R L a E R p E R −at −at Với điều kiện ban đầu: i ( )=−I m ;a= → i= ( 1−e ) −I m e Khi T2 ,T4 mở ta có phương trình : 15 | P a g e −L ( ) −a ( t− ) −a(t− ) di E 2 −R i=E →i= 1−e −I m e dt R T T Điện áp tải có dạng “hình sin chữ nhật” đối xứng Nó hàm lẻ , chu kì Triển khai Fourirer ta được: u= ( 4E 1 sinωt + sin ωt + sin ωt+ … π ) *Tính chọn IGBT Điot E R −at −at Áp dụng công thức : i= ( 1−e ) −I m e Ứng với t= T ,i=I m → I m= ( T −a E 1−e R −a 1+ e E R ) T −a t −at Với t=t , i=0 → 0= ( 1−e )−I m e 1 ( ) E +I L R m → t 1= ln R E R Trị trung bình dịng qua điot: t1 t1 [ −1 −1 E I D = ∫ idt= ( 1−e−at −I m e−at ) ∫ T T R ( )( I D =−f E t + f E + I m 1−e R R a −a t ]dt ) Điện áp ngược max đặt lên điot -E(v) → Từ giá trị I D điện áp ngược đặt lên điot ta chọn loại điot cho D1 , D2 , D3 , D 16 | P a g e Trị trung bình dịng qua IGBT : I T= T T 1 [ ] 1 E idt= ∫ ( 1−e−at −I m e−at ) dt ∫ T t T t R ( )( −a I T =f E ( T −t ¿ 1)+ f E + I e ¿ R R m T −a t1 −e a ) ¿ Điện áp ngược lớn đặt IGBT : -E(v) Điện áp thuận lớn đặt IGBT : E(v) ⇒ Từ giá trị I t kết hợp với điện áp thuận điệnáp ngược đặt lên IGBT ta chọn IGBT cần tìm 3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung sin PWM Thực tế thường sử dụng để giảm bớt kích thước lọc để đảm bảo chất lượng điện áp có dạng gần hình Sin Điều chế độ rộng xung cần phải thực theo quy luật điều khiển sin Sơ đồ cấu trúc: Máy phát sin Bộ điều chế Nghịch Lưu Tín hiệu hình sin um ( t )có tần số tần số biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp nghịch lưu so sánh với tín hiệu cưa um ( t ) tạo xung có độ rộng tương ứng thời điểm mà um ( t )=um ( t ) Đường cong sóng điều hịa bậc đầu nghịch lưu có tỷ lệ sóng điều hịa bậc cao nhỏ so với sóng bậc Trong trình điều chế người ta tạo xung cực hay cực Xung cực tính cách so sánh điện áp cưa với điện áp chủ đạo hình sin Xunng cưa xunng có cực tính chu kì điều biến , điện áp 17 | P a g e tải ( điện áp nghịch lưu) xung cực tính có độ rộng thay đổi theo quy luật sin: ∆ t=Ksin Ωt Trong đó: Δ t : độ rộng xung K: hệ số Ω : Tần số nghịch lưu Biên độ sóng hài điều biến độ rộng xung lưỡng cực có biểu thức tổng quát: π U nm= 4E Khi n=1 ta có : U nm= 3π = [∫ a1 ∫ E ( α ) sin n θ dθ π a2 π/2 a2 sinθ dθ−∫ sinθdθ+ ∫ sinθdθ ] 4E ( 1−2 cosα 1+2 cosα ) π 18 | P a g e