Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi

LỜI NÓI ĐẦU Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để không chế bi

LỜI NÓI ĐẦU Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để không chế biến đổi nguồn năng lượng điện.

Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại

Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biếnđổi bán dẫn công suất như : truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gianhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóachất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau

Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có nhữngtiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngàycàng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện

áp Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điềukhiển động cơ, tiết kiệm năng lượng Đây cũng chính là đề tài của đồ án này:

“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra không thay đổi ”

Bản báo cáo của em gồm 5 chương lớn:

 Chương 1:Giới thiệu chung

Chương 2:Lựa chọn phương án thiết kế

tiếp cận với đồ án, chúng em không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được các thầy cô chỉ bảo thêm

MỤC LỤC :

Lời nói đầu 1

Chương 1: Giới thiệu chung 5

1.1Khái niệm chung về Nghịch lưu độc lập (NLĐL) 5

1.2Nghịch lưu độc lập nguồn dòng 5

1.3Nghịch lưu độc lập nguồn áp 5

1.3.1: Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha 6

Hình1.1: Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha 6

1.3.2: Ngịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 6

Hình 1.2: Mạch NLĐL nguồn điện áp cầu 3 pha 6

1.4.Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp 7

1.5,Giới thiệu chung về diode và IGBT 7

1.5.1 Diode 7

1.5.1.1 Nguyên lý làm việc 7

Hình 1.3 đặc tuyến Volt-Ampe 8

1.5.2 IGBT 9

1.5.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT 9

Hình 1.4 cấu trúc bán dẫn 9

Hình 1.5 Ký hiệu IGBT và mạch điện 9

Chương 2:Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguồn áp 1 pha 10

2.1 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp 10

2.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha 11

Hình 2.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha 11

Hình2.2 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực 12

Hình 2.3 Đồ thị xác định thời điểm kích mở thysistor 12

Hình 2.4 Giải thích sự việc sử dụng sóng tam giác để so sánh 13

Hình 2.5 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực 14

2.3: Lựa chọn phương án thiết kế 15

Chương 3: Thiết kế mạch lực 16

3.1.Mạch lực: 16

3.1.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực 16

3.2 Chọn van IGBT 16

Hình 3.1 V1 khóa, V4 thông 16

3.3 Tính toán chọn Diode 17

3.4 Tính giá trị tụ C 18

3.5: Tính toán bộ lọc 18

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 21

4.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : 21

4.1.1Nhiệm vụ 21

4.1.2 Yêu cầu chung về mạch điều khiển là : 21

4.2: Tính toán mạch điều khiển: 22

4.2.1 Tính toán để có được xung ra là 80Hz 22

4.2.2 Tính toán xung tam giác 2 cực tính 22

Hình 4.1 sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cực tính 23

4.2.3 Tính toán mạch tạo xung đồng bộ 23

Hình 4.2: sơ đồ tạo xung đồng bộ 24

4.2.4 Điều kiện nguyên lý hoạt động sơ đồ cầu Wien 24

Hình 4.3 sơ đồ cầu Wien 25

Chương 5: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm mô phỏng 26

5.1: Một số phần mềm mô phỏng điện tử công suất 26

5.1.1: Phần mềm TINA 26

5.1.2: phần mềm PSIM 27

5.2: Mô phỏng mạch lực 27

Hình 5.1: sơ đồ mạch lực 27

Hình 5.2: đồ thị nghịch lưu độc lập dùng phương pháp SPWM 28

5.3 Mô phỏng mạch điều khiển 29

Hình 5.3 sơ đồ mạch điều khiển 29

Hình 5.4 đồ thị mô phỏng mạch dao động hình sin 30

Hình 5.5: đồ thị xung tam giác 30

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

Chương 1: Giới thiệu chung.

1 1 Khái niệm chung về nghịch lưu độc lập (NLĐL)

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (còn gọi là

bộ biến đổi DC-AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập

Nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu nguồn cung cấp có các tham số như điện áp, tần số

có thể thay đổi được trong một phạm vi rộng

Trong thực tế, các bộ biến tần được hợp thành bởi các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập

để biến nguồn điện có các thông số không thay đổi được thành nguồn điện có các thông sốthay đổi được, đáp ứng mọi yêu cầu của phụ tải

NLĐL được phân loại thành :

 NLĐL nguồn áp

 NLĐL nguồn dòng

 NL cộng hưởng

1.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng

1 3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp

NLĐL nguồn áp sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO,MOSFET, BJT do công nghệ chế tạo các phần tử này đã hoàn chỉnh hơn rất nhiều

Ở đây chúng ta có NL nguồn áp 1 pha, 3 pha

1.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4 và các điôt ngược D1, D2, D3,D4 Các điôt ngược là bắt buộc phải có trong sơ đồ NLĐL nguồn áp, giúp cho quá trình traođổi công suất phản kháng với nguồn Nguồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co cógiá trị đủ lớn, có 2 vai trò:

 San bằng điện áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu

 Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điôt ngược

Hình 1.1 Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha

Nếu không có tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ không có đường chạy cho dòng phản kháng

dẫn đến quá điện áp trên các phần tử trong sơ đồ

1.3.2 Ngịch lưu độc lập nguồn áp ba pha

Sơ đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5,D6 Tương tự như NLĐL nguồn điện áp một pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá

trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn.

Hình 1.2 Mạch NLĐL nguồn điện áp cầu 3 pha Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn Có thể dùng thêm bộ DC-DC để có điện

áp vào mong muốn Phụ tải Za=Zb=Zc đấu Y hoặc ∆

1.4.Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp

Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra không biến đổi phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

 Đảm bảo cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin

 Điều chỉnh vô cấp được tần số của điện áp ra trên tải

 An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cố

là lỗ trống, vùng N hạt đa số là e) làm cho dòng điện khuếch tán lớn đi từ A tới K và hầunhư toàn bộ điện áp ngoài đặt vào J.

1.5.1.1b Phân cực ngược: Ta đấu A vào âm của nguồn ta đấu K vào dương của nguồn

Kết quả Et=En+Etx có chiều hướng làm cho các hạt thiểu số di chuyển dễ dàng và ngăn cản các hạt đa số do mật độ hạt thiểu số rất nhỏ nên chỉ có 1 dòng điện rất nhỏ qua J gọi

Khi dòng điện là Iđm nếu điện áp Uak<0 các điện tử tự do và các lỗ trống bị đẩy ra

xa J kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua Khi tiếp tục tăng lên điện áp Uak theo chiều âm thì các hạt thiểu số sẽ được tăng tốc với động năng lớn và gây ra va chạm làm bẻ gãy các liên kết vùng J theo hình thức dây chuyền, kết quả là hàng loạt các điện tích mới được sinh ra ở vùng J làm cho dòng điện tăng lên đọt ngột, dòng này sẽ phá hỏng diode Trị số điện áp ngược gây hỏng van diode gọi là

Ungmax( trị số điện áp cực đại) Trong thực tế điện áp ngược cho phép đặt vào van : Ung thực tế ( 0.7-0.8) Ungmax của van thì an toàn.

Khi đặt 1 điện thế Uak>0 điện từ vùng N vượt qua vùng mặt gép J sang miền P và đến cực dương của nguồn Nếu bỗng nhiên đặt Uak <0, các điện tử ở vùng P phải quay

về vùng N Sự di chuyển này tạo nên dòng điện ngược chạy qua diode từ K tới A trong thời gian ngắn, nhưng cường độ dòng điện này lớn hơn nhiều so với dòng điện ngược bình thường Ban đầu dòng điện ngược này khá lớn, sau đó suy giảm và khoảng 1 thời gian (turn off time) nó giảm xuống gần bằng 0

 Đang ở chế độ khóa, dòng điện ngược qua van rất nhỏ, không đáng kể nếu bỗng nhiên đặt Uak>0 vào diode, dòng điện I không thể đạt giá trị U/R mà phải mất 1 khoảng thời gian ( tunr on time) để các điện tích đa số đồng loạt di động, cỡ

 Khi tần số nguồn F 100Khz thì diode sẽ mất tính dẫn điện theo 1 chiều( mất chế độkhóa)

1.5.2 IGBT

1.5.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tảilớn của tranzito thường Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn

MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầucực nhỏ

Hình 1.5 Ký hiệu IGBT và mạch điện

Chương 2: Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguồn áp 1 pha

2.1 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp

Nếu tải không có đòi hỏi về dạng áp ra hình sin sẽ không cần quan tâm đến bộ

lọc Tuy nhiên với các tải xoay chiều được thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn điện áp hình sin (như động cơ điện, máy biến áp lực) cần phải cải thiện dạng điện

áp ra theo yêu cầu của tải Có một số phương pháp sau được sử dụng:

Dùng bộ lọc tần số thụ động: với dòng tải lớn và điện áp cao bộ lọc phải thực

hiện bằng các phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất không

thể tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị Hơn nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao

Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch nhau

hoặc tần số khác nhau: phương pháp này thực hiện khá đơn giản, các van hoạt động

nhẹ nhàng vì tần số chuyển mạch thấp, nhưng mạch lực và mạch điều khiển phức tạp, vì vậycũng ít được dùng

Phương pháp điều chế PWM: trong một khoảng dẫn của van, transistor không

dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn thay đổi

 Điều chế hình sin (SPWM)

 Điều chế vector (VPWM)

Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn: các van không đóng

mở nhiều lần như trong phương pháp điều chế PWM mà thường chỉ dưới 10 lần

Phương pháp này sẽ phù hợp khi sử dụng các van không có khả năng làm việc ở tần số cao như GTO, IGBT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức)

Hình 2.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha

Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang

và sóng điều biên

+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn có thể đến hàng chục thậm chí hàng trăm kHz

+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu

ra của bộ nghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch lưu

Hình 2.2 biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực Chu kì đóng mở được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnh sóng hình sin cơ bản

Hình2.2 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực

Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp Các điều hòa của sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này

Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn

và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn

Hình 2.3 Đồ thị xác định thời điểm kích mở thysistor

Điện áp của đầu ra bộ nghịch lưu PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông, có nghĩa là

khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn áp đã đề cập ở trên Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ trống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển

Hình 2.5giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mở van bán dẫn Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho xung ra có bề rộng b Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi như trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy ta có c = b/2

Hình 2.4 Giải thích sự việc sử dụng sóng tam giác để so sánh

áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu thay đổi Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của sóng sin chuẩn Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của sóng sin Điều đó đồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác

Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm tăng các điều hòa bậc cao Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tần số cơ bản sin hơn Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện

Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều khiển

ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực Các thysistor được kích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực) Giản đồ điện áp điều biến PWM lưỡng cựcđược biểu diễn trên hình 2.2.5 Phần điện áp ngược trong nửa trong chu kì đầu ra rất ngắn Đểxác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác tần số cao bằng sóng sin

chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác và sóng hình sin cần điều biến

Hình 2.5 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực

thysistor của bộ nghịch lưu lớn Để chọn bộ nghịch lưu có sóng gần chữ nhật hoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ xung phần tử chuyển mạch và tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản còn lại ở đầu ra

2.3: Lựa chọn phương án thiết kế

- Đóng cắt theo xung điều khiển vào cực G.

Trong đó q là hệ số biến điệu (0 < q < 0.866) Hình 3.1 V1 khóa, V4 thông

*) Dòng điện trung bình đi qua van:

Biểu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:

qI



= =1,5.15,7 23.55(A)

Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT có các thông số chính :

Van IRG4PH404 Icmax/A = 30, Vces = 1200, Pdmax = 160

Vcc= 2,7 Ices/uA = 250

3.3 Tính toán chọn Diode

Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U Dngmax V g

Biểu thức dòng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là:

2 0

1

sin( )2

c s

q C

U

I f



 Thay số ta có:

Ta chọn tần số mang 4kHz với tham số tải là 1000W, điện áp ra 127V và = 80Hz

Sụt điện áp trên điện cảm ở tần số cơ bản: = 0,01.127 = 1,27 V, chọn sụt áp trên mắt lọc bằng 1V

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

4.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển :

4.1.1Nhiệm vụ

và emitor của van

- Khoá van trong nữa chu kì còn lại

- Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc chắn

- Tạo ra được tần số và điều chỉnh độ rộng xung

- Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định

4.1.2 Yêu cầu chung về mạch điều khiển là :

- Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau :