Thiết kế bộ biến đổi nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Nghịch lưu độc lập là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng dòng điện với tần số ra cố định hoặc thay đổi.Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với dòng điện.Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha là bộ biến đổi cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều một pha có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố.Mô phỏng cùng với file đính kèm tài liêu.

Đồ án II LỜI NÓI ĐẦU Đồ án II mục tiêu quan trọng chúng em trình học tập Nó bước giúp chúng em hệ thống lại kiến thức mà chúng em học thời gian vừa qua vận dụng kiến thức vào thực tế Được giao đồ án với đề tài “Thiết kế biến đổi nghịch lưu độc lập nguồn áp pha” chúng em thu kiến thức vơ bổ ích Nó giúp chúng em nắm vững kiến thức lĩnh vực “Điện tử công suất “ Chúng em vô cảm ơn thầy Vũ Hoàng Phương giúp đỡ chúng em thời gian vừa qua để chúng em hoàn thành đề tài Hà Nội, ngày 20/8/2015 Sinh viên thực Nhóm sinh viên Đồ án II MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA 1.1 Cấu tạo 1.2 Nguyên lý làm việc CHƯƠNG TÍNH CHỌN MẠCH LỰC 2.1 Các tham số mạch lực 2.2 Tính chọn van 2.3 Tính chọn tản nhiệt cho van 2.4 Phương án bảo vệ mạch lực CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 10 3.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp pha 10 3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha .11 3.3 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang 16 3.4 Bộ lọc tần số đầu cho phương pháp SPWM 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 22 4.1 Chế độ đơn cực 22 4.2 Chế độ lưỡng cực 23 Đồ án II CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA Nghịch lưu độc lập thiết bị để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng điện với tần số cố định thay đổi Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số mạch điều khiển định thay đổi tùy ý, tức độc lập với dòng điện Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha biến đổi cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều pha có tính chất điện áp lưới: trạng thái khơng tải cho phép trạng thái ngắn mạch tải cố Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Hơn điện áp nghịch lưu áp điều chế theo nhiều 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 nhỏ Hơn việc sử dụng nghịch lưu áp Tiristor khiến cho hiệu suất của biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày công suất van động lực IGBT, GTO trở nên lớn có kích thước gọn nhẹ, có nghịch lưu áp trở thành biến đổi thơng dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp trình bày đồ án sử dụng điều khiển hoàn toàn Đồ án II 1.1 Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp pha mơ tả Hình 1.2 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: ốt dùng để trả công suất phản kháng tải lưới tránh tượng áp đầu nguồn Tụ C mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn chiều (nguồn chiều cấp chỉnh lưu cho phép dòng theo chiều) Như tụ C thực việc tiếp nhận công suất phản kháng tải, đồng thời tụ C đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn áp (giá trị C lớn nội trở nguồn nhỏ, điện áp đầu vào san phẳng) 1.2 Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kì (0÷), cặp van dẫn diện, phụ tải đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải (hướng dòng điện đường nét đậm) Tại thời điểm , bị khóa, đồng thời mở Tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều thời điểm Do tải mang tính trở cảm nên dòng giữ ngun hướng cũ, bị khóa, nên dòng phải khép mạch qua Suất điện động cảm ứng tải trở thành nguồn trả lượng qua tụ C (đường nét đứt) Đồ án II Tương tự khóa cặp dòng tải khép mạch qua Đồ án II CHƯƠNG TÍNH CHỌN MẠCH LỰC Bài toán: Thiết kế biến đổi nghịch lưu cho tải 2000W, điện áp 220VAC Nguồn chiều E lấy từ đầu chỉnh lưu cầu pha với điện áp pha nguồn pha 220V 2.1 Các tham số mạch lực Mạch lực thiết kế Hình 1.2 Để đánh giá dạng điện áp nghịch lưu so với hình sin mong muốn, ta cần sử dụng tham số sau: Hệ số sóng hài bậc k, tỉ số trị số hiệu dụng sóng hài bậc k với sóng hài bản: (1) Hệ số méo bậc k: (2) Hệ số méo: � Uk DF= �( ) U1 k=2,3, k (3) Hệ số méo tổng: � �U THD = k =2,3, U1 n (4) U 22 + U 32 + + U n2 = U1 Ảnh hưởng lớn điện áp sóng hài gần với sóng hài bản, phân tích thường ý chủ yếu đến sóng hài bậc thấp này, gọi LOH Các sóng hài có biên độ nhỏ 3% biên độ sóng hài bỏ qua không xét đến với LOH, lúc coi điện áp hình sin hồn chỉnh khơng méo Đồ án II Việc phân tích tính tốn quy luật dòng điện xác thực hiện, song cho biểu thức phức tạp, tốn ta đơn giản hóa, sử dụng phương pháp “sóng hài bản” Trong phương pháp coi điện áp chứa thành phần bậc hình sin hồn chỉnh, nhờ giải mạch theo cách giải mạch hình sin quen thuộc Điện áp với k=1: (5) Dưới tác động điện áp dòng tải biến thiên hình sin với quy luật: (6) Trong đó: z= R 12 +(ωL1 ) φ=arctg( (7) ωL t ) Rt Dạng biến thiên điện áp ra, dòng thực theo phương pháp sóng hài bản, qua thấy điểm dòng điện qua điểm khơng gần với với trường hợp coi dòng điện hình sin Từ đây, dễ dàng xác định dòng trung bình qua van: (8) (9) Q trình lượng cho thấy :  Khi transistor dẫn nguồn E cấp lượng tải  Khi điốt dẫn nguồn E nhận lượng từ điện cảm trả Do giá trị trung bình dòng chiều từ nguồn tính từ dòng trung bình qua van với lưu ý chu kỳ có hai lần dẫn nhóm van: (10) Cơng suất tiêu thụ từ nguồn đưa tải: (11) Đồ án II Áp dụng: Trở kháng tải (thuần trở): Zt = U 2ra 2202 = =24,2Ω P 2000 Với việc sử dụng chỉnh lưu cầu pha làm nguồn cấp nguồn chiều cho mạch lực nguồn áp pha điện áp đầu vào nghịch lưu là: E=220.2,34=514,8V a Trị số hiệu dụng sóng bản: Suy ra: U1 = U1m 655,3 = =463,4V 2 b Trị số hiệu dụng dòng ra: I1 = U1 220 = =9,1A Z t 24,2 Suy ra: I1m = 2I1 = 2.9,1=12,7A c Giá trị trung bình qua van 2.2 Tính chọn van Với chế độ hoạt động van phải chịu dòng xấp xỉ 4A điện áp 515V cần chọn transistor có dòng cỡ 25A điện áp cỡ 1200V Với thơng số chọn van IGBT: FS25R12YT3 2.3 Tính chọn tản nhiệt cho van Các tản nhiệt thường có dạng hình khối nhiều cánh Van cỡ dòng cao diện tích bề mặt tản nhiệt phải lớn, khơng kích thước tản nhiệt tăng lên mà số cánh nhiều Khi bố trí van tủ điện thiết bị phải lưu ý cho cánh tản nhiệt vị trí thẳng đứng để q trình đối lưu khơng khí làm mát thuận lợi Nếu dùng quạt gió tuân theo nguyên tắc cho luồng gió chạy dọc theo cánh tản nhiệt Đồ án II Sau bảng thống kê diện tích bề mặt tản nhiệt cho cỡ thơng dụng dòng điện van: Cấp dòng điện van 10 25 50 100÷160 200÷250 320÷400 500÷630 800 Tổng diện tích bề mặt tản nhiệt ( 1,2 1,8 12 24 40 60 80 Số cánh tản nhiệt 1 10 18 18 27 Dựa vào bảng số liệu ta thấy tản nhiệt cần sử dụng cho van loại tản nhiệt có tổng diện tích bề mặt tản nhiệt 1,8 có số cánh 2.4 Phương án bảo vệ mạch lực Khi mạch có cố, dòng điện qua van mạch chỉnh lưu tăng nhanh thường kéo dài cỡ 10ms phần tử bảo vệ tác động Thường thơng số van có cho giá trị dòng điện mà van có khả chịu đựng 10ms, giá trị lớn giá trị số trung bình cho phép từ đến 10 lần Vì van chọn có trị số dòng điện nhỏ dòng cố qua van thực tế thay van loại khác phù hợp, phải đưa thêm phần tử bảo vệ tăng trưởng dòng cố xuống đến mức cho phép van Mặt khác phải đảm bảo mạch tính kịp thời tác động Có nhiều cách để bảo vệ mạch lực gặp cố ngắn mạch phần em xin bày phương pháp bảo vệ cách ngắt xung điều khiển Để tiến hành bảo vệ dòng điện điều phải có khâu đo dòng điện biến đổi thành điện áp tỉ lệ với dòng điện, mạch xử lý làm việc với tín hiệu điện áp Có hai cách lấy tín hiệu dòng tải: Đo trực tiếp dòng điện tải, dùng điện trở shunt mắc nối tiếp với tải, dùng biến đổi dòng chiều Phương pháp đảm bảo xác nhanh chóng, song có nhược điểm dùng điện trở khó tiến hành cách ly điện điều khiển mạch lực, mặt khác tín hiệu thường nhỏ phải tuân theo chuẩn chế tạo 60mV 75mV, buộc phải thêm khâu khuếch đại tín hiệu Nếu dùng biến dòng chiều đảm bảo cách ly điện, song loại khơng có chuẩn sẵn điện trở shunt khó chế tạo Đồ án II Lấy gián tiếp dòng tải, cách biến dòng xoay chiều mắc phía đầu vào chỉnh lưu Kiểu đơn giản biến dòng xoay chiều chế tạo theo chuẩn dòng điện với đủ cỡ dòng Phương pháp thơng dụng Sau có tín hiệu điện áp tỉ lệ với dòng điện, ta phải xử lý tín hiệu Đối mạch điều khiển mạch số tín hiệu đưa vào ADC vi điều khiển Nếu giá trị đưa vào lớn giá trị cho phép vi điều khiển làm nhiệm vụ ngắt xung điều khiển Khi tín hiệu ổn định vi điều khiển thực phát xung trở lại Đồ án II ubN  Sb (15) U dc Điện áp đầu mạch nghịch lưu ra: uab  uaN  ubN  ( S a  Sb ) U dc (16) Thông thường hai hàm điều chế lựa chọn trái dấu (điều chế đơn cực), nghĩa m= Do đó, giá trị trung bình điện áp đầu mạch nghịch lưu xác định sau: uab  (ma  mb ) U dc  mU dc (17) Trong nhiều ứng dụng nghịch lưu nguồn áp pha, giá trị trung bình có dạng hình sin Do đó, hàm điều chế tỷ lệ thuận với điện áp viết dạng tổng quát: m  M sin( t   ) (18) Trong đó: M – gọi hệ số điều chế ω – tần số đầu mạch nghịch lưu 3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha Để phân tích ngun lý phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha, ta giả thiết van bán dẫn mạch nghịch lưu phần tử lý tưởng Có phương pháp điều chế độ rộng xung để tạo điện áp hình sin cho cầu nghịch lưu pha  Điều chế đơn cực  Điều chế lưỡng cực 3.2.1 Phương pháp điều chế lưỡng cực Hai cặp van điều khiển tín hiệu có trạng thái logic phủ định Cách điều khiển dẫn đến: Trong chu kỳ điện áp cần tạo, phụ tải nhân điện áp ngược dấu Nếu thực kỹ thuật Analog,có thể tọa hai tín hiệu logic so sánh tín hiệu điều khiển m với chuỗi xung cưa Đồ án II Phương pháp điều chế PWM nói chủ yếu thực kỹ thuật Analog Để hiểu rõ chất, đồng thời tạo điều kiện thực thuận lợi kỹ thuật Digital (sử dụng vi điều khiển), ta nhận thức vấn đề góc nhìn vector cho phương pháp điều chế lưỡng cực sau: 3.2.2 Phương pháp điều chế đơn cực Nếu phương pháp hai cực dùng tín hiệu điều khiển m để điều khiển hai cặp van , phương pháp đơn cực lại dùng tín hiệu ngược dấu m –m để điều khiển cặp van phía Còn hai cặp van phía điều khiển hồn tồn phụ thuộc van đó: nhận trạng thái phủ định , nhận trạng thái logic phủ định Dễ dàng nhận thấy: Trong phạm vi nửa chu kỳ điện áp cần tạo, phụ tải nhận điện áp dấu Đồ án II Phương pháp điều chế PWM nói thực chủ yếu linh kiện Analog Để hiểu rõ chất, đồng thời tạo điều kiện thực thuận lợi kỹ thuật Digital, ta nhận thức vấn đề góc nhìn vector cho phương pháp điều chế đơn cực sau: Nếu định nghĩa trạng thái logic hai điểm A, B (hai đầu điện trở tải) chung nối với cực dương, chúng nối với cực âm mạch DC Khi ấy, nghịch lưu đơn với nhánh tạo trạng thái logic với sơ đồ mạch minh họa hình dưới: Đồ án II Các trạng thái logic ứng với vector điện áp chuẩn (trạng thái 10), (trạng thái 01) (trạng thái 00, 11) Vị trí vector nằm hệ tọa độ tĩnh αβ Biên độ vector chuẩn xác định sau: Bước 1: Xác định vị trí vector điện áp , vị trí góc θ cho ta biết thông tin vector điện áp nằm góc phần tư Đồ án II Bước 2: Tính thời gian thực vector chuẩn Trong nửa chu kỳ dương (vị trí vector hai góc phần tư Q1 Q4), vector thực vector khoảng thời gian , khoảng thời gian lại () thực vector khơng , thời gian xác định sau: T1 = |u ab |cosθ |u |cosθ TS = ab TS |u1| |U dc | (19) T0 =TS -T1 Trong nửa chu kỳ âm (vị trí vector hai góc phần tư Q2 Q3), vector thực vector khoảng thời gian , khoảng thời gian lại () thực vector không , thời gian xác định sau: T2 =- |u ab |cosθ |u |cosθ TS =- ab TS |u1| |U dc | (20) T0 =TS -T2 Tại góc phần tư Q2 Q3 giá trị cosθ mang dấu âm Bước 3: Muốn xác định thời gian dẫn cho van ta xây dựng mẫu xung cho góc phần tư, tương ứng nửa chu kỳ dương (góc phần tư Q1 Q4) nửa chu kỳ âm (góc phần tư Q2 Q3) Đồ án II Hệ số điều chế cho van bán dẫn nhanh mạch nghịch lưu chu kỳ điều chế tổng hợp bảng sau: Góc phần tư Q1 Q4 Nhánh van Q2 Q3 Trong Như vậy, giải pháp điều chế đơn cực ta phải dùng hai kênh PWM để điều khiển mạch nghịch lưu pha 3.3 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang Khuếch đại xung tầng quan trọng trước xung điều khiển đưa đến van Đồ án II Đối với van IGBT điện áp cần thiết để mở van phải lớn 15V, điện áp để van đóng hồn tồn -5V Vì nhiệm vụ tầng khuếch đại xung là:  Đảm bảo xung điều khiển đóng/mở van đóng yêu cầu  Cách ly phần điều khiển mạch lực Với nhiệm vụ nhận thấy driver HCPL3120 đảm bảo nhiệm vụ khuếch đại xung cách ly Sơ đồ cấu trúc HCPL3120: Đồ án II Đồ án II 3.4 Bộ lọc tần số đầu cho phương pháp SPWM 3.4.1 Nguyên lý làm việc lọc Tải công suất sử dụng phương pháp lọc tần số hiệu kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng khuếch đại thuật tốn OA Với dòng tải lớn điện áp cao lọc phải thực phần tử thụ động L C, điều dẫn đến tổn thất công suất tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể khích thước thiết bị Hơn hiệu lọc tần lọc thụ động khơng cao, nhược điểm lọc thụ động Về nguyên tắc, lọc thụ động phần tử đấu nối tiếp hay song song tải với tổng trở Từ thấy nguyên lý chung để thực lọc là: Phần tử mắc nối tiếp với tải: hình thành chia điện áp theo tỉ lệ tương quan tổng trở chúng, tổng trở lớn điện áp lớn, cần:  Với tần số sóng hài mong muốn tốt (cộng hưởng), lúc tồn sóng đưa khơng tổn thất khâu lọc  Với thành phần bậc cao ngược lại để điện áp với tần số rơi chủ yếu , tức giữ lại khâu lọc Với phần tử mắc song song với tải hình thành chia dòng theo tỉ lệ tương quan chúng, tổng trở nhỏ dòng rẽ nhánh qua nhiều, cần:  Với tần số sóng hài mong muốn tốt (cộng hưởng tần số cao), lúc tồn dòng sóng hài đưa tải  Với thành phần bậc cao ngược lại để dòng với tần số rẽ hết vào khâu lọc 3.4.2 Phân loại lọc Có lọc hay thường dùng cách tính tốn khác nhau, nhiên theo yêu cầu chung tính mạch lọc nhằm thõa mãn đồng thời tiêu:  Hệ số méo nhỏ Tùy tải mà hệ số yêu cầu khác nhau, thường THD phải 20%, yêu cầu dạng khác hệ số sóng hài thấp 5% điện áp coi tốt  Cơng suất lắp đặt thấp  Tổn thất công suất thấp  Đặc tính tần số dốc Đồ án II 3.4.3 Bộ lọc cho phương pháp SPWM Phương pháp SPWM cho phép loại bỏ nhiều sóng hài bậc thấp sóng hài bậc thấp LOH có bậc sát với tần số sóng mang, tăng tần số điện áp gần sin Nếu tải có điện cảm dòng tải gần hình sin khơng có lọc Nhưng phổ sóng hài cho thấy biên độ sóng hài có tần số sóng mang lại lớn Chính bộc lọc tính tốn với hai mục tiêu chính:  Lọc lấy sóng hài bản, song giá trị phần tử không cần lớn đo phương pháp cho phép giảm hệ số méo nhiều  Chặn sóng hài với tần số sóng mang, đặc biệt với phụ tải động điện tần số sóng thường cao dễ gây xung áp lớn làm cho hỏng thiết bị Với nghịch lưu có tần số cố định ta dùng lọc cộng hưởng, nhiên phương pháp PWM cải thiện đáng kể phổ sóng hài điện áp nên khơng dùng lọc hai mắt cộng hưởng mà thường dùng khâu lọc đơn giản công suất lọc giảm đáng kể Sử dụng lọc mắt cộng hưởng nối tiếp: ε1 = L Q1 ZC1 = =ω1L1 = ω1C1 C1 Pt ; đó: Q1 =Q L1 =Q C1 =I1 ZC1 ; Đồ án II L U 2ra Q2 ZC2 = =ω1L = Q =Q L2 =QC2 = ε2 = ω1C C2 Pt ; đó: ZC2 ; Biểu thức hệ số truyền đạt điện áp sóng hài có tải (m≠0): (21) K U (q)= (1- 2 ε1ε (q -1) 2 ε1 Δ ) +m 1+ε 22 (1+ε ) Khi không tải hệ số lớn nhất: K U (q)= ε ε (q -1) 1- 2 1+ε (22) Để không bị cộng hưởng tần số sóng hài thấp cần mẫu số khơng âm, suy ra: ε1ε (q -1)-ε 22