Đồ án : Điện tử công suất

Để tạo điện áp có 5 mức thì tại mỗi thời điểm các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 khóa của mỗi cầu H được đóng.. Các phương pháp điều khiển: 1.1 PWM Pulse Width

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ÁP

1.Tổng quan về nghịch lưu:

- Sơ đồ khối nghịch lưu

Hình 1.1: Sơ đồ khối nghịch lưu

1.1 Khái niệm cơ bản về nghịch lưu(inverter):

- Nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh, biến đổi năng lượng điện một chiều thành xoay chiều

- Nguồn cung cấp là một chiều nhờ các linh kiện chuyển mạch thay đổi đầu vào tạo nên ra đầu ra xoay chiều với một chu kì xác định

1.2 Phân loại:

- Theo đặc điểm nguồn: + Nghịch lưu áp

+ Nghịch lưu dòng

- Theo số lượng pha: một pha; ba pha; nhiều pha

- Theo sơ đồ: hình cầu, hình tia

2 Nghịch lưu áp một pha và ba pha:

- Mang tính chất nguồn áp: tạo ra điện áp xoay chiều từ dòng điện một chiều Dòng điện đầu ra phụ thuộc vào tải

- Đầu vào của nghịch lưu áp là nguồn điện áp một chiều

2.1 Nghịch lưu áp một pha:

- Bộ nghịch lưu áp một pha được cung cấp bằng nguồn áp một chiều có điện trở kháng nhỏ Điện áp một chiều sau khi qua bộ chuyển mạch biến đổi thành điện áp xoay chiều u một pha

- Có 2 loại chính : + Nghịch lưu áp hình tia một pha

+ Nghịch lưu áp hình cầu một pha

Mạch động lực

Mạch lọc, bảo vệ

Điều khiển SPWM Điều khiển

2.1.1 Nghịch lưu áp hình tia 1 pha:

- Nhịp S2: Xung điều khiển đưa vào S2 ngay sau khi khóa S1 Khi D2 đóng, dòng sẽchảy qua S2 Điện áp trên tải vẫn không đổi, tuy nhiên dòng iZ sẽ đảo chiều uZ = ub = -Ud ; iS2 = id = -iZ … tăng theo đường cong hàm mũ với chiều ngược lại Nhịp S2 kết thúc khi ngắt xung điều khiển đưa vào S2

- Nhịp D1: Ngắt xung điều khiển đưa vào S2 uZ = ua = Ud ; iD1 = -id = -iZ … tăng theo đường cong hàm mũ Nhịp D1 kết thúc khi dòng tải D1 tăng lên giá trị 0

2.1.2 Nghịch lưu áp hình cầu 1 pha:

- Nhịp S1S2: Đưa xung điều khiển vào S1S2 Điện áp trên tải uZ = Ud => Dòng

iZ=iS1=iS2, tăng theo đường cong hàm mũ về giá trị bão hòa Ud/R

- Nhịp D3D4: Ngắt xung điều khiển ở S1S2, đưa xung điều khiển vào S3S4 Dòng vẫn duy trì đi theo chiều cũ đi qua D3D4, S3S4 không thông dòng Điện áp trên tải uZ=-Ud

=> Dòng tải giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị bão hòa –Ud/R Khi iZ giảm về không nhịp D3D4 kết thúc.

- Nhịp S3S4: S3S4 thông dòng, uZ=-Ud, dòng –iZ=iS3=iS4 giảm theo đường cong hàm

mũ về giá trị bão hòa –Ud/R

- Nhịp D1D2: tương tự nhịp D3D4 Điện áp trên tải uZ=Ud Dòng –iZ=iS3=iS4 tăng theo đường cong hàm mũ về giá trị bão hòa Nhịp kết thúc khi iZ tăng về 0 từ giá trị âm

2.2 Nghịch lưu áp 3 pha:

a.Cấu tạo:

- Nghịch lưu áp hình cầu 3 pha gồm 6 van bán dẫn S1, S2, , S6.

- 6 diode D1, D2,…, D6 mắc đối song

- Đầu vào là nguồn một chiều không đổi Ud, đầu ra là nguồn xoay chiều ba pha

- Tải 3 pha Z1, Z2, Z3 có thể mắc dạng hình sao hoặc hình tam giác

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lí nghich lưu áp 3 pha

b.Hoạt động:

-Để đơn giản hóa việc tính toán ta giả thiết như sau:

 Giả thiết các van lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều

 Van động lực cơ bản T1,T2,T3,T4,T5,T6 làm việc với độ dẫn điện , Za=Zb=Zc -Các diode D1,D2,D3,D4,D5,D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ C đảmbảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải

-Ta xét cụ thể nguyên lý và luật điều khiển cho các thyristor như sau:

-Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị như hình 1.12

-Như vậy T1,T4 dẫn điện lệch nhau và tạo ra pha A.T3,T6 dẫn điện lệch nhau để tạo ra pha B.T5,T2 dẫn điện lệch nhau để tạo ra pha C, và các pha lệch nhau

3 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

t2

T6

T1

T2

T3

T2

-Điện áp một chiều cung cấp cho bộ cầu H một pha thường từ bộ chỉnh lưu diode

đa bậc Để tạo điện áp có 5 mức thì tại mỗi thời điểm các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 khóa của mỗi cầu H được đóng

-Khi các khóa chuyển mạch S11,S21,S12 và S22 dẫn dòng thì điện áp ra của cầu H1 và

H2 lần lượt: UH1=UH2=E nên điện áp ra tổng hợp trên pha A của bộ nghịch lưu:

UAN=UH1+UH2=2E Tương tự với S31,S41,S32 và S42 dẫn thì điện áp ra UAN=-2E.Còn 3 mức điện áp còn lại E, 0 , -E tương ứng với các vị trí khác nhau của các khóa sẽ được tổng hợp trong bảng dưới

Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của SL-CHB

14 Ngắt Đóng Đóng Đóng -E 0

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SPWM

1 Các phương pháp điều khiển:

1.1 PWM (Pulse Width Modulation):

- PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Hình 2 1 Phương pháp điều khiển PWM

1.2 Điều biến SIGMA-DENTA:

- Điều khiển dòng điện cấp cho tải bằng bộ nghịch lưu áp hay điện áp trên cực

bằng điều khiển đenta trong trường hợp đầu và điều biến sigma-đenta trong trường hợp sau

- Nguyên lý:

+Điều chỉnh giá trị trung bình của một địa lượng không là biến trạng thái với điều kiện tích phân sẽ làm biến mất sự gián đoạn của nó

+Tần số tức thời biến đổi giữa fmin và fmax để cho đại lượng điều khiển +Bám theo tần số chuẩn f thì tỷ số fmin/ f phải đủ.

1.3 Điều biến tính toán trước:

-Thay cho việc xác định các goc chuyển mạch trong thời gian thực bằng kỹ thuật điện tử tương tự hay kỹ thuật số, ta có thể tính toán trước điều khiển, lưu trữ trong bộ nhớrồi sử dụng bộ vi xử lý điều khiển các khóa chuyển mạch

2 Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung.Phương pháp SPWM:

-Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM – PulseWidth Modulaton) được điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được loại trừ đếnmức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi tần số trongdải tần số định mức Bằng phương pháp PWM ta có thể điều khiển được động cơ thíchnghi theo một đường đặc tính cho trước Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưu PWM làyêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn Tần số thông thường lớn hơnkhoảng 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch lưu

2.1.Nguyên lí hoạt động của PWM:

Sơ đồ mạch lực PWM một pha được biểu diễn như hình:

Hình 2 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha

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

- Sóng mang: là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàng chục hoặc thâmchí hàng trăm kHz.

- Sóng điều biên: là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộnghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch lưu

2.2 PWM đơn cực:

- 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

Hình 2 3 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực

- Để ý rằng diện tích của mỗi lớp xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sónghình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp Các điều hòa của sóng điều chế theophương 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 theophương pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩnmong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn ở hình 2.4 Giaođiểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn

Hình 2 4 Đồ thị xác định thời điểm kích mở Thyristor

- Điện áp đầu ra của 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 chương 1 Khiđiện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ rộng xung càng tăng,

do vậy điện áp ra giảm Vì vậy, có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển

- Biên độ của điện áp điều biến đầu ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi dovậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu thayđổi 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 cựcđại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác

- Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt ở tần số lớn do vậy sẽlàm 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 điềuhòa bậc cao cả điện áp và dòng điện

2.3 PWM lưỡng cực

- Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điềukhiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực Các thyristor được kích mở theotừng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực) Giản đồ điện áp điều biếnPWM lưỡng cực được biểu diễn trên hình 2.5 Phần điện áp ngược trong nửa chu kì đầu

ra rất ngắn Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác có tần sốcao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác và sóng hìnhsin cầu điều biến

Hình 2 5 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực

- Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao đổichiều trong thyristor của bộ nghịch lưu lớn Để chọn bộ nghịch lưu có sóng gần chữ nhậthoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ sung phần tử chuyển mạch và tổnhao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản

2.4

Nguyên lí hoạt động mạch điều khiển PWM:

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sPWM

- SPWM được điều khiển bằng luật so sánh giữa sóng mang(tam giác) và sóng điều khiển(sóng sin)

V m V



Khi m a1: Vout quan hệ tuyến tính theo m a

Khi m a1: Vout quan hệ phi tuyến theo m a

-Hệ số điều biến tân số: 1

s f

f m f



Với f s là tần số sóng mang , f1là tần số sóng sin

- Tần số sóng sin sẽ quyết định tần số điện áp đầu ra Thông thường ta chọn tần số sóng sin f1= 50Hz

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH LỌC

VÀ CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ

1

Giới thiệu bộ tăng áp BOOST

-Boost converter là bộ điều khiển nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào Nóchứa ít nhất 2 chuyển mạch bán dẩn (1 diode và 1 transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

Nguyên lý hoạt động:

Hình 3 1 Nguyên lý của bộ boost converter

Hình 3 2 Hai chế độ của boost converter phụ thuộc vào trạng thái khóa

- Khi khóa đóng dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dâytích trữ năng lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương

- Khi khóa mở, dòng điện bị giảm Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này đượcchống lại bởi cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược ( bên trái cuộn dây mang dấu âm) kếtquả ta có nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D

- Nếu khóa hoàng thành chu kì chuyển mạch, điện cảm sẽ không được tích điện đầygiữa trạng thái tích điện và tải sẽ có điện áp lớn hơn đầu vào khi mở khóa Khi khóa mở,

tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa được đóng vào phầnmạch bên phải ngắt mạch từ bên trái, tụ sẽ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải Trongquá trình này, diode khó ngắt tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải được mở đỉ để chốnglại tụ xả điện

-Trạng thái on Khóa K đóng, làm tăng dòng điện cảm.

- Trang thái off, mở khóa và đóng điện cảm chạy qua diode D, tụ C, và tải R Kết quảchuyển năng lượng tích lũy trong trạng thái on vào tụ

Điều khiển bộ tăng áp bằng phương pháp PWM

Phương pháp thực hiện băm xung với tầm số không đổi f = const, điện áp ra tải thay đổinhờ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van dẫn để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấutrúc với chức năng các khâu là:

- Khâu phát xung chủ đạo phần tạo dao động với tần cố định nhằm đảm bảo điều kiệnbăm xung với tần số không đổi

- Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời bảođảm phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ

- Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk ,điểm cân bằng gữa chúng chính là điểm Do đó thi điện áp điều khiển thay đổi sẽ là thayđổi to và do đó thay đổi tham số điều chỉnh Điện áp ra của khâu này có dạng xungtương ứng với giai đoạn van lực dẩn

- Khâu khuyếch đại công suất nhằm tăng công suất tạo ra ở khâu so sánh đồng thờiphải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực

- Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật:

- Sơ đồ mạch động lực

Ta có điện áp đầu ra xoay chiều UAC = 220v

=> Điện áp cực đại đầu ra: UACMAX= 220 ≈311V

Với P= 1000W, dòng điện ra qua tải Ira = 1000/220≈4,545A

=> Dòng điện cực đại Imax= 4,545 ≈6.43

Mạch điện động lực hoạt động như sau:

- Điện áp đầu vào 12VDC sẽ được tăng áp bằng bộ boost để có được điện áp ra UAC =220V, UACMAX = 311V

-Mostfet được dung trong bộ nghich lưu do:

+ Tốc độ chuyển mach cao

+ Tổn hao chuyển mạch thấp

- Bộ boost ta dùng IBGT do phải chịu áp và dòng lớn

2 Tính toán bộ tăng áp BOOST:

- Với E= 12v và UraPC =315v

- Điều khiển bằng phương pháp PWM với tần số xung t = 6kHz

2.1 Thời gian mở van:

- Điện áp đầu ra bị boost: UraDC = ( coi như điện trở trong của nguồn bằng 0) => =1 - =1 - 0,9619

Với trong đó to là thời gian kích mở van

T là chu kì điện áp ( chu kì của xung điều khiển)

2.2 Chọn van bán dẫn:

- Điện áp làm việc của van: UCES= 315 + 12 = 327V

- Dòng điện qua van: Ic= 6,43A

- Ta chọn van IBGT mã hiệu IRGBC30FD2 với thông số:

diode mã hiệu 1N2455R có IDmax = 20A, U= 600 V

2.3 Tính toán mạch lọc:

a) Lọc giảm dao động dòng điện ( coi r ng =0)

- Ta giảm dạo động dòng điện đầu ra bộ boost ở dưới mức 5%

It = 4,545A

L0 >  L0 >0.9619= 8,8 mH

=> Chọn L0= 10 mH

b) Lọc giảm dao động điện áp

- Ta giảm dao động điện áp dưới mức 5%

b) Hệ số điều biến biên độ:

- Khi ma 1: Khoảng điều khiển tuyến tính của bộ nghịch lưu Điện áp ra sẽ được điều

- Khi ma : Khoảng điều khiển phi tuyến của bộ nghịch lưu Điện áp ra sẽ được điềukhiển phi tuyến.

- Trong bộ nghịch lưu này, ta sẽ chọn điều khiển tuyến tính bộ nghịch lưu Tức là sẽchọn ma = 1

- Trị số điện áp trung bình đầu ra là 311V

3.2 Chọn van bán dẫn:

- Dòng làm việc qua van Io = 6,43A

- Dòng lớn nhất cho phép qua van IDS = KiKD = 1,6.6,43 = 10,3A (chọn Ki = 1,6)

- Điện áp đặt lên van: UDS = 311V

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: UGS = UDS.UDC = 311.1,6 = 497,6V (chọn UDC = 1,6)

Và các thông số có trong datasheet kèm theo

- Chọn diode có mã hiệu MVR 3060PTD 600V-30A

3.3 Mạch lọc:

- Để đảm bảo điện áp AC đầu ra dạng gần với sin chuẩn nhất, ta chọn lọc cộng hưởng

- Để bảo vệ ngắn mạch hay quá tải dung cầu chì hoặc aptomat

- Ta chọn thiết bị bảo vệ theo dòng với IBV = (0) I0

- Ta chọn cầu chì bảo vệ có IBV = 9,654A

4 Mosfet driver IC IR2110:

- Mosfet (hoặc IGBT) là phần tử bán dẫn có tính năng ưu việt như khả năng đóng cắt nhanh, công suất điều khiển nhỏ, thay thế cho các transito công suất thường.Vì thế, điều kiện mở khóa của nó có những yêu cầu đặt biệt Khó khăn trong việc điều khiển với sườn xung dựng đứng.Thời gian tạo sườn xung mất 0,1s hoặc nhỏ hơn

- Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực màng D cản trở tốc

độ thay đổi của tín hiệu điều khiển

4.1 Sơ đồ chân IR 2110:

Hình 3 4 Sơ đồ chân IR2110

- Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp

- Chân 2: Phản hồi ở mức thấp

- Chân 3: Chân nối nguồn để cấp cho IC (từ 10V-20V)

- Chân 5: Điện áp trả về mức cao

- Chân 6: Điện áp treo mức cao

- Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao

- Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss + 3 đến Vss + 20’