Báo cáo mô hình nghịch lưu ba pha nguyên lý hoạt Động của bộ nghịch lưu ba pha

Bộ nghịch lưu ba pha là bộ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp ba pha xoay chiều thông qua quá trình điều khiển chuyển mạch bằng các thiết bị bán dẫn IGBT hoặc MOSFET bằng phương

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BÁO CÁO VỀ MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU BA PHA

1 Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu ba pha

Bộ nghịch lưu ba pha là bộ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp ba pha xoay chiều thông qua quá trình điều khiển chuyển mạch bằng các thiết bị bán dẫn (IGBT hoặc MOSFET) bằng phương pháp điều khiển PWM

Bộ nghịch lưu ba pha thực hiện quá trình đóng ngắt các thiết bị bán dẫn theo một trình tự nhằm tạo ra điện áp xoay chiều lệch nhau 120 độ được thực hiện như sau:

Phase A: Được điều khiển bởi hai thiết bị bán dẫn S1 và S4

Phase B: Được điều khiển bởi hai thiết bị bán dẫn S2 và S5

Phase C: Được điều khiển bởi hai thiết bị bán dẫn S3 và S6

Bảng 2 Thông số thiết kế bộ lọc ngõ ra

Điện áp ngõ vào V DC 350VDC

Cuộn cảm đầu ra của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc được tính dựa trên có thông số thực tế trong Bảng 2

Công thực tính điện trở từ công suất và điện áp như sau:

Trong quá trình thí nghiệm với bóng đèn có công suất 100W với điện áp là

220VAC để tăng dòng và công suất chúng ta mắc mắc cái bóng đèn song song lại với nhau để giảm điện trở của bóng đèn xuống Giữa các bóng đèn đều có gắn một công tắc nhằm thay đổi điện trở theo mong muốn

Vì điện áp định mức ghi trên nhãn bóng đèn là 220Vac hiệu dụng khi nghịch lưu ra

3 pha 355Vdc Vậy với 1 pha của bóng đèn là 126Vdc sẽ bằng một nữa điện áp được ghi trên nhãn bóng đèn lúc này bóng đèn không đủ công suất để sáng hoặc sáng yếu Nên mô

hình tải bóng đèn được mắc nối song song lại nhằm mục đích giảm giá trị điện trở đi và làm tăng công suất lên được thể hiện trong hình sau:

Hình 7: Sơ đồ đấu nối song song của tải R

1.2 Tính toán và lựa chọn IGBT

Điện áp đặt trên IGBT : U DCmax = 400 V

Coi tải là tải thuần trở ta có dòng đặt lên IGBT là I = P/U=600/220 = 2.8A

Để chọn IGBT một cách tối ưu, ta cần phải hiểu các yêu cầu của IGBT trong mô hình nghịch lưu ba pha ba bậc hình T IGBT điện áp cao được dựa trên các công nghệ chếtạo khác nhau, mỗi dòng IGBT trong thực tế sẽ hướng đến một ứng dụng, cấu trúc mạch khác nhau Trong đó các thông số quan trọng được ưu tiên tính toán IGBT là điện áp đặt trên IGBT khi đang cấp nguồn (Ut), dòng điện hiệu dụng chạy qua IGBT (Irms) và dòng điện trung bình chạy qua IGBT (Ivab).

Trong đó điện áp đặt trên IGBT phải được thõa mãn điều kiện sau:

U t=(1.6 ÷ 2)UDCmax=¿U t=2∗400=800 Vdc

Hình 2: Thông số kỹ thuật TSG60N100CE 1000V 60A N-Channel IGBTCòn dòng điện chạy qua IGBT được chọn phụ thuộc vào điều kiện làm mát Nếu IGBT chỉ được làm mát các tảng nhiệt thông thường thì khả năng chụi dòng của IGBT chỉ bằng 25÷ 35% dòng điện định mức được ghi trên nhãn

Nếu IGBT được làm mát bằng các tảng nhiệt thông thường và kèm theo quạt gió

để làm mát thì khả năng chụi dòng của IGBT sẽ tăng lên 50÷ 75% dòng điện định mức được ghi trên nhãn

Nếu IGBT được làm mát bằng cách kết hợp với tảng nhiệt, quạt gió và kèm theo dung dịch làm mát thì khả năng chụi dòng điện có thể đạt tối đa là 100% dòng đinh mức được ghi trên nhãn Dựa vào những ý trên ta có thể tính được dòng điện mà IGBT có thể chịu được như sau:

I = (25÷ 35 %) Irms => Irms = (2.8*100)/25 = 11.2 A

Theo các tiêu chí lựa chọn IGBT đã nói và theo các thông số kỹ thuật được tính nhưtrên TSG60N100CE được chọn

1.3 Mạch diver

Mạch diver đơn giản nhất bao gồm một điện trở R G, được sử dụng để giới hạn dòng

điều khiển cổng và kiểm soát thời gian chuyển đổi Điều này là cần thiết để hạn chế EMI

và nó cũng làm giảm dao động có thể xuất hiện ở cổng do dv dt hoạt động nhanh kết /

hợp với các phần tử điện dung và điện cảm ký sinh MOSFET Dao động như vậy có thể khiến MOSFET bật và tắt nhiều lần ở tần số rất cao thay vì một lần chuyển đổi rõ ràng vàđiều này có thể khiến thiết bị bị lỗi khi chuyển đổi điện áp và dòng điện quan trọng Một điện trở R GS, trong phạm vi kΩ (thường là 10 kΩ), được khuyên dùng giữa cổng và

nguồn để cổng MOSFET sẽ được xả nếu cổng bị ngắt kết nối khỏi mạch trình điều khiển.Nếu không có điều này, một MOSFET có thể vẫn bật khi nó nên tắt, do đó khi một

MOSFET khác trong mạch bật lên, hiện tượng đoản mạch có thể xảy ra trong đó dòng điện rất cao khiến một số thành phần bị phá hủy và cũng có thể làm cháy PCB

Hình 28: Kiểu mạch lái đơn giản phổ biến

Để kích mở hoàn toàn một MOSFET công suất, ta cần một tín hiệu PWM mức logiccao đặt lên cực cổng phải cao hơn điện áp ngưỡng cổng nguồn V GS V THkhoảng 3 đến 5V [44], thường là không quá  20V đối với MOSFET Do đó để kích được các

MOSFET công suất, ta cần có một nguồn kích riêng cho từng khóa nếu không chung đất

và một IC lái để chuyển đổi mức logic của vi điều khiển thành các mức cao hơn và cách

ly an toàn với mạch công suất

Để thiết kế mạch lái, ta cần xem xét các yếu tố như dòng kích, thời gian chuyển mạch để chọn các IC lái và điện trở cổng phù hợp

Dòng điện kích phụ thuộc vào điện tích cực cổng của MOSFET được sử dụng, trong

mô hình này là IRFP460 Ta có :

/

Trong đó t rise là thời gian chuyển từ mức logic thấp sang mức logic cao của

MOSFET, hai thành phần này có trong datasheet của nhà sản xuất

Hình 30: Sơ đồ nguyên lý mạch lái

Hình 31: Lớp đồng dây dẫn Top layer của mạch lái

Hình 32: Lớp đồng dây dẫn Bottom layer của mạch lái

Hình 33: Thiết kế 3D của mạch lái

Hình 34: Mạch diver khi hoàn thành

Hình 3: IGBT TSG60N100CE 1.4 Tính toán mạch snubber

RC snubber thường được sử dụng trong các bộ chuyển đổi để hạn chế điện áp tăng vọt trên thiết bị chuyển mạch vào mức an toàn Không chỉ đơn giản là kẹp xung điện áp đơn thuần, mà còn điều chỉnh tần số tăng đột biến hoặc hiệu ứng ringing để ngăn chặn các sự cố

Các dao động còn sót lại trong các quá trình chuyển mạch có thể tạo ra nhiễu bức xạ

và nhiễu dẫn, tạo ra hiện tượng chập chờn mạch và tiêu tán quá mức, đồng thời dễ khiến các thành phần bị quá tải Các dao động này là mối quan tâm lớn trong các ứng dụng như

âm thanh, tốc độ xử lý của vi điều khiển và các thiết kế chống nhiễu điện từ (EMI)

RC snubber hoạt động bằng cách thay đổi tần số ringing cũng như giảm mức đột biến điện áp Tụ điện đóng vai trò lưu trữ điện tích và điện trở cung cấp một đường phóng điện Ví dụ trong mạch bên dưới, RC snubber R1 và C1 bảo vệ MOSFET Q1 khỏi

sự tăng đột biến điện áp trên cống Khi MOSFET TẮT, tụ điện snubber sẽ sạc qua R1 Khi MOSFET BẬT, tụ điện sẽ phóng điện qua R1 tới MOSFET và xuống mass Chu kỳ

sẽ lặp lại với tụ điện trống Điện trở là một trong những điện năng tiêu tán Trong một chu kỳ chuyển mạch, có hai thời điểm mà dòng điện chạy đến điện trở

Để khắc phục được sự dao động đó bằng cách thêm một bộ snubber (R-C) đơn giản mắc song song với IGBT như được thể hiện trong hình 5

Hình 4: Mạch snubberCác bước trong lưu đô bên dưới đã sử dụng môt phương pháp phổ biến giúp thay đổi tần số cộng hưởng của sự dao động khi chuyển mạch để có thể tính điện dung ký sinh(C0) và độ tự cảm (L) của mạch Sau khi biết được những thông số trên, ta có thể tính toán tụ điện snubber (C snubber) và điện trở ( R snubber) Để có thể trực quang hơn, ta lấy một

dạng sóng mẫu trong Hình 6 là dạng sóng khi bị giao động trong quá trình chuyển mạch

và Hình 7 với mạch snubber được mắc song song với các IGBT trên bnghịch lưu ba pha

ba bậc hình T

Lưu đồ để tính mạch snubber được thể hiện dưới đây:

Đo tần số dao động của mạch (fo)

Thêm một tụ điện song song với IGBT và đo tần số dao động bằng máy đo chuyên dụng Chọn giá trị C1 có giá trị lớn hơn vài lần so với điện dung ban đầu.

Tính toán tỷ lệ tần số dịch chuyển m =

Tính toán giá trị của điện dung ký sinh

Tính toán giá trị của tụ điên

𝑅𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟 = ට𝐶𝐿

Thời gian của một chu kì T là 200ns khi không có tụ và điện trở thì tần số dao động f0 được tính như sau:

f0 = T 01 = 200 ns1 =5 Mhz

Tụ kí sinh trong mạch IGBT 60n100 là 68pF nên tạ chọn tụ điện C1 là 100pF song song với IGBT với thời gian của một chu kì T1 là 1.5us, kiểm tra sự dao động của tần số f1:

L = (m¿¿2−1)

(2 π f0)2C1¿ => (7.5

2

−1)(2 π∗5∗106)2∗100∗10−9 = 0.55 uHGiá trị của tụ điên snubber:

C snubber=3∗C0=¿3∗1.8∗10−9= 5.9 pFGiá trị của điện trở snubber:

R snubber=√C L0 =>√0.55∗10−6

1.8∗10−9 = 17.48 Ω

Hình 5: Sự giao động trong quá trình chuyển mạch Khi chưa có mạch snubber, hiện tượng dao động có thể xảy ra do các xung điện áp đột biến trong mạch Những xung này có thể gây ra hiệu ứng dao động sót lại, làm cho điện áp và dòng điện không ổn định, có thể dẫn đến hỏng hóc thiết bị điện và tăng nguy cơ hư hại đối với các linh kiện IGBT.

Hình 6: Sự dao động của mạch khi gắn mạch snubberKhi quan sát Hình 6 ta dễ dàng nhận thấy rằng sự dao động do quá trình chuyển mạch của IGBT đã được giảm đi rất nhiều lần so với Hình 5 Ta có thể thay đổi mạch snubber để giảm các giao động bằng cách thây đổi giá trị¿ ¿) Lưu ý, Khi tụ điện

(C¿¿snubber)¿ có giá trị cao thì biên độ xung điện áp sẽ giảm đi nhưng lại làm tăng tổn thất điện năng trên điện trở (R snubber) Vì vậy, khi gắn mạch snubber cần phải cân nhắc sự

cân bằng giữa biên độ ta có thể chấp nhận được và tổn thất trên điện trở (R snubber).

1.5 Thiết kế PCB của mạch chỉnh lưu

 Chỉnh lưu cầu 1 pha

Chỉnh lưu cầu 1 pha (single-phase bridge rectifier) là mạch chỉnh lưu phổ biến đượcthiết kế để biến đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) Mạch này sử dụng bốn điốt nối thành cầu để tạo dòng điện DC ổn định từ nguồn AC đầu vào, và thường được ứng dụng trong các thiết bị điện tử và công nghiệp

 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bao gồm:

 Bốn điốt (D1, D2, D3, D4) được nối thành một cấu hình hình cầu

 Nguồn AC đầu vào được kết nối vào hai đầu chéo nhau của cầu

 Tải được kết nối vào hai đầu còn lại, nhận điện áp DC.

 Nguyên lý hoạt động:

Khi nguồn điện xoay chiều AC vào mạch, các đi-ốt trong cầu chỉnh lưu sẽ hoạt động xen kẽ, cho phép dòng điện chạy theo một hướng duy nhất thông qua Load (tải điện), tạo thành nguồn điện một chiều DC đầu ra Các diode hoạt động như công tắc điện

tử, chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều cụ thể, ngăn cản dòng điện quay lại nguồn AC

Quá trình chuyển đổi từ nguồn điện AC thành nguồn điện DC trong cầu chỉnh lưu xảy ra liên tục trong suốt chu kỳ điện áp AC đầu vào Điều này giúp cung cấp nguồn điện

ổn định cho các linh kiện điện tử trong mạch, như điều khiển tải, điện tử công suất, điều khiển động cơ và nhiều ứng dụng điện tử khác

Trong nửa chu kỳ dương của dạng sóng AC đầu vào, diode D1 và D2 sẽ được phâncực thuận cho dòng điện đi qua, trong khi D3 và D4 được phân cực ngược chặn dòngđiện đi qua

Trong nửa chu kỳ âm của dạng sóng AC đầu vào, diode D3 và D4 sẽ được phân cựcthuận, trong khi D1 và D2 được phân cực ngược Dòng qua tải lúc này sẽ chạy qua D3 vàD4.

 Cầu đi-ốt chỉnh lưu:

,

 Chọn cầu đi-ốt KBL410 KV 4A 1KV, V f bri. 1.1V

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu từ AC sang DC

Hình 11: Thiết kế 3D của mô hình chỉnh lưu

Hình 12: Lớp đồng dây dẫn phần Top layer của mạch

Hình 13: Lớp đồng dây dẫn phần Bottom layer của mạch

Hình 14: Mạch chỉnh lưu khi hoàn thành1.5 Thiết kế PCB của mạch công suất

Hình 15: Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu ba pha

Hình 16: Thiết kế 3D của mô hình nghịch lưu ba pha

Hình 17: Lớp đồng dây dẫn phần Bottom layer của mạch

Hình 18: Lớp đồng dây dẫn phần Top layer của mạch

Hình 19: Mạch công suất khi thi công xongThiết kế PCB mạch điều khiển

Trên mạch điều khiển sẽ bao gồm các mạch lái, mạch cảm biến, các nút nhấn hiển thị và DSP TMS320F28379D

Các tín hiệu cảm biến sau khi được xử lý cách ly và đưa về tín hiệu nhỏ, sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp nhằm hạn chế các tín hiệu nhiễu EMI do các khóa bán dẫn đóng mở gây ra.

Do đó các bộ lọc thông thấp được thiết kế sao cho tần số cắt của nó phải nhỏ hơn so với tần số đóng cắt của mạch công suất

Hình 20: Mạch lọc thông thấpTần số cắt của mạch lọc :

12

Hình 21: Khối DSP F28379D

Hình 22: Bộ lọc thông thấp các tín hiệu cảm biến và Zenner bảo vệ trước đi đưa về

DSP

Hình 23: Thiết kế 3D của mạch điều khiển

Hình 24: Lớp đồng dây dẫn Bottom layer của mạch điều khiển

Hình 25: Lớp đồng dây dẫn Top layer của mạch

Hình 26: Sơ đồ 2D của mạch điều khiển

Hình 27: Mạch điều khiển khi hoàn thành1.7 Mạch cảm biến

Sử dụng

opamp cách ly

Chất lượng cao, lặp tại được các tín hiệu hài và tuyến tính với tín hiệu đo

Chi phí cao, yêu cầu nguồn cấp cách ly

Sử dụng Chống nhiễu, lặp tại được các Chi phí cao, nhiều thành

cảm biến Hall tín hiệu hài và tuyến tính với tín hiệu đo. phần, yêu cầu nguồn cấp cách ly.

Với mô hình bộ sạc, các tín hiệu hồi tiếp bao gồm cả tín hiệu có tần số tuyến tính và

cả tín hiệu DC, nên phương pháp sử dụng opamp là phù hợp nhất, đáp ứng đủ các nhu cầu và chi phí không quá cao Đối với dòng điện, có nhiều loại IC cảm biến Hall trên thị trường với giá rẻ, đáp ứng được nhu cầu cơ bản và đơn giản khâu thiết kế cũng như giá thành tổng thể mô hình

Cảm biến áp

Giới thiệu tổng quan

Opamp cảm biến được sử dụng cho mô hình là IC AMC-1301 đến từ nhà sản xuất Texas Intruments

Hình 35: Opamp cách lý AMC 1301AMC-1301 là bộ khuếch đại cách ly, có độ tin cậy cao với đầu ra và đầu vào được tách biệt với nhau bằng một rào cản cách ly có khả năng chống nhiễu từ tính cao Rào cảnnày được chứng nhận có khả năng tăng cường lên tới 7070 VPEAK theo tiêu chuẩn DIN

EN IEC 60747-17 (VDE 0884-17) và UL1577, đồng thời hỗ trợ điện áp làm việc lên đến 1KVRMS Rào cản cách ly ngăn cản các thiết bị của hệ thống hoạt động ở mức điện áp ở các chế độ chung khác nhau và bảo vệ phía điện áp thấp khỏi các mức điện áp có thể gây

ra hư hỏng và có khả năng gây hại cho người vận hành

Đầu vào của AMC được của AMC-1301 được tối ưu hóa để liên kết với điện trở shunt hoặc các nguồn tín hiệu có các cấp điện áp thấp khác nhau Có độ chính xác cao về

đo điện áp DC và độ lệch nhiệt độ thấp hỗ trợ điều khiển dòng điện chích các trong các

bộ sạc tích hợp (OBC), bộ chuyển đổi DC/DC, bộ nghịch lưu ba pha hoặc các ứng dụng điện áp cao khác.

Tín hiệu điện áp đi vào Opamp phải được giới hạn từ -250mV đến 250mV ở ngõ ra tín hiệu sẽ được khuếch đại 8.2 lần so với đầu vào, điện áp VOUTN và VOUTP là

± 1.025V với điện áp chế độ chung là 1.44V và ngược lại điện áp đầu ra là ± 2.05V như được thể hiện trong Hình 36

Hình 36: Tín hiệu của opamp khi đưa vào vi điều khiển

Lúc này ở ngõ ra, ta có thể đưa 2 tín hiệu vào ở 2 chân 6 và 7 đưa vào thẳng vi điều khiển để xử lý hoặc có thể sử dụng một Opamp chuyên dụng khác để lấy vi sai của hai tínhiệu để đưa về như được thể hiện trong hình 35

Hình 37: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến áp AMC-1301Nguyên lý hoạt động

Các điện trở R1, R2, R3,R4 đóng vai trò là cầu phân áp, hạ tín hiệu cần đo xuống còn + 250mV đến -250mV như đã được giới thiệu ở trên

V¿=V S × R 3

R 1+ R 2

Tụ điện C1 có chức năng lọc các tín hiệu nhiễu trước khi đưa vào bộ cảm biến, R5 được nối vào chân VINP để giảm sai số điện áp bù đầu vào, điều này sẽ làm cho tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại trở nên chính xác hơn

Sau khi qua AMC-1301B, tín hiệu đầu vào sẽ được khuếch đại lên K = 8.2 lần Opamp phía sau được thiết kế theo mạch khuếch đại vi sai, lấy hiệu điện thế của 2 ngõ ra của AMC và khuếch đại

Trong hình Hình 35 hiển thị điện áp đầu vào và điện áp đầu ra của AMC-1301 cùng với điện áp đầu ra khi qua opamp để vi điều khiển xử lý Lưu ý rằng điện áp vi sai

± 2.05Vtrở thành tín hiệu một đầu ra từ 0.5V đến 4.5V

Hình 38: Tín hiệu đầu ra khi điện áp vi sai đưa vào Opamp

Hình 38 Lớp đồng dây dẫn Bottom layer của mạch cảm biến áp