nghịch lưu PWM

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại và phát triển không ngừng của công nghệ điện tử công năng, bộ nghịch lưu PWM (Điều chế độ rộng xung ) đã trở thành một phần không thể thiếu trong công việc điều khiển và quản lý lý năng lượng điện. Bộ nghịch lưu PWM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các hệ thống điện năng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, đến các thiết bị điện gia dụng, hệ thống điều khiển động cơ và các hệ thống truyền tải và phân phối điện. Tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng thể về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và ứng dụng của bộ nghịch lưu nghịch . Nội dung sẽ đi sâu vào các khái niệm cơ bản như kỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung, các phương pháp điều khiển, và những lợi ích mà bộ nghịch lưu điều chỉnh lại. Đặc biệt, tài liệu sẽ nhấn mạnh các ưu tiên vượt trội của PWM nên đối với hệ thống điều khiển phương pháp, như hiệu suất cao, khả năng điều chỉnh hoạt động và khả năng giảm thiểu nhiễu điện. Ngoài ra, tài liệu cũng sẽ trình bày các kỹ thuật đặc biệt khi thiết kế và vận hành bộ nghịch cảnh, cũng như các giải pháp giải quyết. Phần tiếp theo sẽ đề cập đến các ứng dụng thực tiễn, trợ giúp độc lập hình dung rõ ràng hơn về tầm quan trọng và vai trò của bộ nghịch lưu PPP trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp hiện đại. Hy vọng rằng, với thông tin qua tài liệu này, người đọc sẽ có được những kiến thức cơ bản và nâng cao về giải pháp PWM, từ đó có thể áp dụng vào thực tế một cách hiệu quả, góp phần cung cấp sự phát triển của ngành điện tử công nghiệp và công nghiệp điện tử.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNGKHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

- -BÁO CÁO BÀI TẬP

MÔN THỰC TẬP CHUYÊN SÂUĐỀ TÀI : BỘ NGHỊCH LƯU PWM

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Tiến Dũng

LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại và phát triển không ngừng của công nghệđiện tử công năng, bộ nghịch lưu PWM (Điều chế độ rộng xung ) đã trở thành mộtphần không thể thiếu trong công việc điều khiển và quản lý lý năng lượng điện Bộnghịch lưu PWM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các hệ thống điệnnăng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, đến các thiết bị điện gia dụng, hệ thống điềukhiển động cơ và các hệ thống truyền tải và phân phối điện.

Tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng thể về nguyên lý hoạt động, cấu trúc vàứng dụng của bộ nghịch lưu nghịch Nội dung sẽ đi sâu vào các khái niệm cơ bản nhưkỹ thuật điều chỉnh độ rộng xung, các phương pháp điều khiển, và những lợi ích mà bộnghịch lưu điều chỉnh lại Đặc biệt, tài liệu sẽ nhấn mạnh các ưu tiên vượt trội củaPWM nên đối với hệ thống điều khiển phương pháp, như hiệu suất cao, khả năng điềuchỉnh hoạt động và khả năng giảm thiểu nhiễu điện.

Ngoài ra, tài liệu cũng sẽ trình bày các kỹ thuật đặc biệt khi thiết kế và vận hànhbộ nghịch cảnh, cũng như các giải pháp giải quyết Phần tiếp theo sẽ đề cập đến cácứng dụng thực tiễn, trợ giúp độc lập hình dung rõ ràng hơn về tầm quan trọng và vaitrò của bộ nghịch lưu PPP trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệphiện đại.

Hy vọng rằng, với thông tin qua tài liệu này, người đọc sẽ có được những kiếnthức cơ bản và nâng cao về giải pháp PWM, từ đó có thể áp dụng vào thực tế một cáchhiệu quả, góp phần cung cấp sự phát triển của ngành điện tử công nghiệp và côngnghiệp điện tử.

DANH MỤC HÌNH ẢNH

3 Hình 3:Cách thay thế công tắc cơ khí thành công tắc bán dẫn 8

12 Hình 12:Bộ nghịch lưu 1 pha tải R(RL) sử dụng PWM 16

18 Hình 18:Dạng sóng của xung tam giác và sóng sin khi đã được cài

22 Hình 22:Dạng sóng khi so sánh Vsina với Vcar và đầu ra xung kích

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU 5

1.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu 5

1.1.1 Khái niệm chung 5

1.1.2 Một số thiết bị nghịch lưu 5

1.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu một pha cầu 5

1.2.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi 6

1.4.Điều chỉnh điện áp của thiết bị nghịch lưu 12

1.4.1.Khái niệm chung 12

1.5.Điều khiển cầu nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp điều khiển theophương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin(sinPWM) 13

1.5.1.Nguyên tắc chung 13

1.5.2.Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động 14

1.6.Ứng dụng 15

CHƯƠNG 2 :MÔ PHỎNG 16

2.1.Mô phỏng bộ nghịch lưu 1 pha 16

2.1.1.Sử dụng PWM 16

2.1.2.Sử dụng SPWM 17

2.2.Mô phỏng mạch 3 pha sử dụng SPWM 18

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU1.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu

1.1.1 Khái niệm chung

Thiết bị nghịch lưu là thiết bị đổi điện một chiều ra xoay chiều Ở phần chỉnh lưucó điều khiển , ta đã biết rằng các sơ đồ có điện áp ra tính bởi công thức Ud=Udo*cosalpha, làm việc đổi điện 1 chiều ra điện xoay chiều khi góc kích cho các SCR alphatrong khoảng từ pi/2 đến pi.Đây là trường hợp gặp khi động cơ một chiều làm việc ởchế độ hãm tái sinh.

Động cơ làm việc như máy phát điện một chiều trả điện năng về lưới điện xoaychiều qua thiết bị chỉnh lưu điều khiển toàn phần với góc kích alpha> pi/2 Chế độ làmviệc này phụ thuộc vào việc chuyển mạch của các SCR và hoàn toàn lệ thuộc vào việcđiện xoay chiều có sẵn ở lưới điện Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ nghịch lưuphụ thuộc

Thiết bị chúng ta đề cập ở đây đổi điện một chiều ra điện xoay chiều trong đóviệc chuyển mạch giữa các linh kiện đóng ngắt được được thực hiện một cách độc lập ,không lệ thuộc bất kì nguồn xoay chiều có sẵn nào Do vậy được gọi là thiết bị nghịchlưu độc lập

1.1.2 Một số thiết bị nghịch lưu

Thiết bị đổi điện từ bình ácqui 12, 24hoặc 48V ra điện xoay chiều tần số 50Hzđến điện áp 220V dùng để cấp điện dự phòng khi mất điện lưới , dùng cấp nguồn chocác thiết bị như tivi ,ampily,đầu máy trên xe du lịch vv

Thiết bị đổi điện một chiều ra xoay chiều cấp cho phụ tải cộng hưởng tần số vàđiện áp có thể thay dổi cho bằng tần số cộng hưởng của phụ tải phù hợp với tình trạngphụ tải như lò nấu thép trung tần Đó là thiết bị nghịch lưu cộng hưởng cao tần

1.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu một pha cầu

Linh kiên trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện quanó , tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa , có thểsử dụng transistor BJT,MOSFET hoặc IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớncó thể sử dụng GTO,IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Linh kiện phải làm việc đóng ngắt điều biến độ rộng xung để tăng hiệu suất vàcông suất thiết bị

Với tải tổng quát , mỗi công tắc còn trang bị một diode mắc song song ngược vớinó Các diode này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điệnngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diodelà tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiềuvới tải xoay chiều , qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt công tắc

Có rất nhiều sơ đồ làm việc nghịch lưu cơ bản Tuy nhiên ta chỉ khảo sát một sốmạch để hiểu nguyên lý chung

1.2.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi

1.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1:Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi

Để đơn giản hóa vấn đề ta tạm dùng tiếp điểm cơ khí S1 và S1’mắc như hình trêntừ đó ta cho S1 và S1’ luân phiên nhau dẫn điện S1 dẫn dòng từ A->B S1’dẫn dòngtừ B->A.Sau đây là dạng điện áp U1, dòng I1 trong trường hợp phụ tải khác nhau:

1.2.1.2.Nguyên tắc hoạt độngMỗi chu kì làm việc gồm 2 bán kỳ :

 Bán kỳ 1 :S1 dẫn , S1’ không dẫn ->U1=U

 Bán kỳ 2:S1 không dẫn , S1’ dẫn ->U1= -U

->Điện áp U1 có dạng chữ nhật , điện áp hiệu dụng bằng :

Lưu ý rằng tải có thành phần cảm kháng thì S1 đóng mạch điện, dòng điện có giátrị âm từ lúc mới đóng mạch cho đến thời điểm t1, sau thời gian t1 , dòng đổi chiều từâm sang dương Nếu phụ tải là L thuần thì t1=T/4.Trong trường hợp tiếp điểm cơ khíthì không có vấn đề gì vì tiếp điểm dẫn điện cả 2 chiều Nếu chỉ thay 2 tiếp điểm S1 vàS1’ bằng 2 linh kiện bán dẫn thì sẽ gặp trở ngại

Như vậy, mỗi linh kiện ngắt dẫn phải mắc song song với 1 diode để có thể dẫndòng ngược chiều Diode này được gọi là diode thu hồi năng lượng , làm chức năngdẫn dòng ngược từ phụ tải có thành phần cảm kháng về nguồn điện U, dòng ngược nàylà dòng năng lượng tích lũy vào phụ tải , là năng lượng phản kháng sau khi điện áp đổitừ dương sang âm hay ngược lại

Nếu thiếu diode thì khi đến quá trình hoàn trả năng lượng dòng sẽ bị gián đoạnsinh ra điện áp tăng vọt e= -L di/dt lớn phá hủy linh kiện bán dẫn đó => Diode thu hồinăng lượng còn có chức năng bảo vệ linh kiện ngắt dẫn tránh điện áp tăng vọt

1.2.2 Nguyên tắc thay thế công tắc cơ khí thành công tắc bán dẫn

Như vậy tiếp điểm cơ khí phải được thay bằng bộ đôi transistor diode hay SCRdiode mắc song song ngược chiều nhau như hình dưới đây :

Hình 3:Cách thay thế công tắc cơ khí thành công tắc bán dẫn

Nếu phụ tải có cảm kháng thì sơ đồ nửa cầu dùng transistor phải dùng như sau :

Hình 4 :Sơ đồ nửa cầu

 Ưu điểm :Điện vào trực tiếp phụ tải , không qua máy biến áp , hiệu suất cao

 Nhược điểm :Phải có 2 nguồn 1 chiều

Ut=U vào : điện áp ra không thể tăng hay giảm nếu điện áp nguồn U, không thích hợpvới phụ tải Người ta chỉ dùng sơ đồ nửa cầu khi có 2 nguồn điện một chiều điện ápthích hợp với phụ tải như bộ chỉnh lưu ra 2 điện áp đối xứng

 Bán kì đầu :0<t<T/2

Đôi transistor S2 và S2’ dẫn , đôi transistor S1 và S1’ không dẫn , dòng từ cựcdương nguồn U qua S2 , qua phụ tải từ A đến B qua S2’ về cực âm nguồn U và Ut=U

Bán kỳ sau:T/2<t<T

Đôi transistor S2 và S2’ ngưng dẫn Đôi transistor S1 và S1’dẫn điện dòng cựcdương nguồn U qua S1, qua phụ tải B->A, qua S1’ về cực âm nguồn U

Trên hình 4 dưới đây là giản đồ xung kích cho các linh kiện ngắt dẫn (BJT) vàdạng sóng của điện áp tải

Hình 6:Giản đồ xung kích BJT

1.3.Mạch nghịch lưu 3 pha

1.3.1.Sơ đồ nguyên lý

Hình 7:Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu 3 pha

Để có điện 3 pha ta dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và diode thu hồinăng lượng như hình 5.

Ta có thể dùng 3 cầu nghịch lưu 1 pha để có điện áp 3 pha theo sơ đồ sau :

 3 pha mắc riêng rẽ , không được mắc thành hình sao hay tam giác

 điện áp 3 pha lệch nhau 120 độ Việc điều khiển cầu 1 pha bằng phương phápđiều chế độ rộng xung.

1.4.Điều chỉnh điện áp của thiết bị nghịch lưu

1.4.1.Khái niệm chung

Có nhiều trường hợp cần phải điều chỉnh tỷ lệ V/f Do yêu cầu của phụ tải khi tầnsố thay đổi điện áp cũng phải thay đổi theo quy luật phù hợp Do vậy cần phải đặt vấnđề điều chỉnh điện áp trong các mạch nghịch lưu như:

1 Điều biến độ rộng xung xung theo hàm sine

Phương pháp này có thể thay đổi điện ra mà vẫn giữ nguyện vẹn dạng điện áp vớicác thành phần sóng hài.

2 Điều chỉnh điện áp vào

Phương pháp này cần bộ phận điều chỉnh được điện áp một chiều ngõ vào như bộchỉnh lưu có điều khiển hay mạch băm DC-DC

3 Điều chỉnh độ rộng xung đơn

Điều khiển góc lệch B giữa 2 nửa cầu nghịch lưu như hình dưới đây:

Hình 9:Góc lệch B

Để không còn thành phần hài chẵn ở điện áp ra ta chọn số xung lẻ trong mỗi nửachu kì để các xung đối xứng với nhau qua trục thẳng đứng cắt giữa mỗi bán kì nhưhình sau đây:

Hình 10:Điều chỉnh xung nhiễu

Các xung có bề rộng bằng nhau Muốn tăng hay giảm điện áp ra ta thay đổi bềrộng của tất cả các xung Lưu ý đấy là phương pháp điều chỉnh điện áp hiệu dụng Ut,khác với phương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin ở phần trước

Qua việc xử lý bằng phương pháp điều chế bề rộng xung đơn hay nhiễu xungngười ta chỉ thay đổi điện áp hiệu dụng ra tải Điện áp ra có dạng xung , trị trung bìnhđiện áp dạng xung vẫn biến thiên theo đường biểu diễn dạng chữ nhật.

1.5.Điều khiển cầu nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp điều khiển theophương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin(sinPWM)

1.5.1.Nguyên tắc chung

Phương pháp này có thể cho điện áp gần dạng sin và đồng thời điều chỉnh đượcđiện áp ra , do vậy không cần nguồn điện một chiều chỉnh điện áp Tuy nhiên phươngpháp này có một số yêu cầu để vừa có điện áp 3 pha cân bằng vừa không có sóng hàichẵn Đó là số xung điều khiển trong mỗi điều khiển trong mỗi bán chu kì điện xoaychiều phải là bội của 3 và là số lẻ

Do số xung là bội của 3 mà ta có điện áp 3 pha cân bằng lệch nhau 120 độ khôngcó sóng hài lẻ

Lưu ý rằng khi thay đổi tần số điện áp ra , mạch điều khiển cũng phải thay đổicho phù hợp với điều kiện số xung lẻ và là bội số của 3 để loại sóng hài chẵn và cóđiện áp 3 pha cân bằng

Ngày nay, nghịch lưu áp 3 pha thường được sử dùng chủ yếu với biến điệu độrộng xung , bảo đảm điện áp ra có dạng hình sin Để đảm bảo điện áp ra có dạng

không phụ thuộc vào tải , người ta dùng biến điệu độ rộng xung hai cực tính , như vậymỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập nhau (ví dụ như ở sơ đồ trênthì khi s1 dẫn thì s1’ phải ngắt và ngược lại)

Vấn đề chính trong biến điệu trong biến điệu độ rộng xung ba pha là phải có basóng sin chuẩn có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha chính xác 120 độ trongtoàn bộ giải điều chỉnh Cần phải đảm bảo dạng xung điều khiển ra đối xứng vàkhoảng dẫn của mỗi khóa bán dẫn phải được xác định chính xác

Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tínhiệu cơ bản :

 Sóng mang U(rc) có tần số cao.

 Sóng điều khiển U(dk) hoặc sóng điều chế dạng sin

 Sóng mang có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao cao , lượng sónghài bậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên , tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phátsinh do quá trình đóng ngắt tăng

 Sóng điều khiển U(dk) mang thông tin về độ lớn , trị số hiệu dụng và tần số sónghài cơ bản của điện áp ngõ ra.

1.5.2.Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động

Sơ đồ khối bộ biến tần điều độ rộng xung có điện áp ra ba pha dạng sin được trình bàytrên hình 9:

Tín hiệu từ máy phát tín hiệu sin 3 pha chuẩn U(dk) cùng tín hiệu dạng tam giácU(rc) được so sánh tại các bộ so sánh 1,2,3 Lối ra bộ so sánh cho chuỗi xung có độrộng thay đổi tương ứng với tín hiệu sin chuẩn Khi thay đổi biên độ hoặc tần số tínhiệu , chuỗi xung có số xung và độ rộng thay đổi tương ứng theo

Các chuỗi xung độ rộng biến đổi qua bộ điều khiển để điều khiển các cặptransistor mosfet tương ứng và hình thành tín hiệu ra Khối công suất sử dụng cáckhóa S1 S1’ có thể sử dụng SCR , transistor mosfet hoặc transistor công suất lớn BJThoặc IGBT Trong các bộ biến tần hiện đại , sử dụng transistor mosfet , IGBT có nhiềuưu thế vì vừa đảm bảo công suất ra lớn , không tốn năng lượng điều khiển và mạchđiều khiển khá đơn giản , sơ đồ thực hiện chuyển mạch nhanh , cho phép tăng tần sốđiều khiển lối ra , đồng thời giảm thời gian đốt nóng linh kiện công suất

1.6.Ứng dụng

 Hệ thống điện mặt trời: Chuyển đổi điện DC từ pin mặt trời thành điện AC để sử

dụng trong gia đình hoặc đưa lên lưới điện.

 Động cơ điện: Điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của các động cơ xoay chiều

trong các ứng dụng công nghiệp.

 Hệ thống lưu trữ năng lượng: Chuyển đổi và điều hòa điện năng từ các hệ thống

lưu trữ như pin hoặc ắc quy.

CHƯƠNG 2 :MÔ PHỎNG2.1.Mô phỏng bộ nghịch lưu 1 pha

2.1.1.Sử dụng PWM

Hình 12:Bộ nghịch lưu 1 pha tải R(RL) sử dụng PWM

Trong đó: Sử dụng nguồn 48V,có 4 con MOSFET (1,2,3,4), ở đây ta dùng 2 conđiện trở mắc nối tiếp giá trị mỗi con 10 ôm , hoặc tải là RL(R=10, L=10mH),

Cách điều chế độ rộng xung bằng phương pháp PWM như sau:

Ta sử dụng một OP-AM để so sánh xung tam giác(A=6V) với độ mở của xung là0.5 với 1 nguồn DC(3V)

Hình 13:Xung tam giác và nguồn DC

Hình 14:Xung sau qua bộ OP-AM

Hình 15:Điện áp và dòng đầu ra khi tải là RL

Hình 16:Điện áp đầu vào và xung đầu ra

2.1.2.Sử dụng SPWM

Hình 17:Mô phỏng nghịch lưu 1 pha sử dụng SPWM

Trong đó :Dùng bộ so sánh , khối tạo xung tam giác tần số 400Hz,Vpeak to peaklà 12, với nguồn sin 50Hz với biên độ 10A , để biên độ như vậy thì khi độ hàm kíchcho mosfet sẽ khoảng10/12 xấp xỉ 80%

Hình 18: Dạng sóng của xung tam giác và sóng sin khi đã được cài đặt

Hình 19:Độ rộng xung kích TP2 cho mosfet 1

Hình 20:Dạng sóng điện áp và dòng đầu ra

2.2.Mô phỏng mạch 3 pha sử dụng SPWM

Trong đó : ta sử dụng 6 con mosfet (1,2,3,4,5,6) , nguồn 1 chièu 234V, điện trở20 ôm, sử dụng 3 bộ so sánh ( 1 nguồn sin tần số 50hz , biên độ 8 , 1 nguồn sóng tamgiác có tầm số 1000Hz =>lý do chọn tần số này thì là để cho sóng mịn hơn)

Hình 22:Dạng sóng khi so sánh Vsina với Vcar và đầu ra xung kích D4 cho mosfet 1

Hình 23:Dạng sóng Vtải và Vpha

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN

Hà Nội…, ngày… tháng.…năm 20….

Chữ ký của giảng viên

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình Điện tử công suất – Ths.Phạm Ngọc Dĩnh – Học viện Công nghệ Bưuchính Viễn thông

[2] https://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%81u_ch%E1%BA%BF_%C4%91%E1%BB%99_r%E1%BB%99ng_xung

[3] https://ledsaigon.vn/dieu-che-do-rong-xung-pwm