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.

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án II là một mục tiêu quan trọng của chúng em trong quá trình học tập Nó làbước đi giúp chúng em hệ thống lại kiến thức mà chúng em học được trong thời gianvừa qua và vận dụng kiến thức vào thực tế

Được giao đồ án với đề tài “Thiết kế bộ biến đổi nghịch lưu độc lập nguồn ápmột pha” chúng em đã thu được những kiến thức vô cùng bổ ích Nó giúp chúng emnắm vững kiến thức hơn trong lĩnh vực “Điện tử công suất “ Chúng em vô cùng cảm

ơn thầy Vũ Hoàng Phương đã giúp đỡ chúng em trong thời gian vừa qua để chúng emhoàn thành đề tài

Hà Nội, ngày 20/8/2015Sinh viên thực hiệnNhóm sinh viên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP

MỘT PHA 2

1.1 Cấu tạo 3

1.2 Nguyên lý làm việc 3

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC 5

2.1 Các tham số cơ bản của mạch lực 5

2.2 Tính chọn van 7

2.3 Tính chọn tản nhiệt cho van 7

2.4 Phương án bảo vệ mạch lực 8

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 10

3.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha 10

3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha 11

3.3 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang 16

3.4 Bộ lọc tần số đầu ra cho phương pháp SPWM 17

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 22

4.1 Chế độ đơn cực 22

4.2 Chế độ lưỡng cực 23

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

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

1.1 Cấu tạo

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha được mô tả trên Hình 1.2 Sơ đồ gồm 4 vanđộng lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các đi ốt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phảnkháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Hình 1.2 Nghịch lưu nguồn áp một pha

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồnmột chiều (nguồn một chiều được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo mộtchiều) Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời

tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồncàng nhỏ, và điện áp đầu vào được san phẳng)

1.2 Nguyên lý làm việc

Ở nửa chu kì đầu tiên (0÷θ2), cặp van T1, T2 dẫn diện, phụ tải được đấu vàonguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U1=E (hướng dòng điện là đườngnét đậm) Tại thời điểm 0=θ2, T1vàT2 bị khóa, đồng thờiT3và T4 mở ra Tải sẽ được đấuvào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U1=E tạithời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ, T1, T2 đã bịkhóa, nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trởthành nguồn trả năng lượng qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt)

Tương tự như vậy khi khóa cặp dòng tải sẽ khép mạch qua D1và D2.

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN MẠCH LỰC

Bài toán: Thiết kế bộ biến đổi nghịch lưu cho tải 2000W, điện áp ra

với điện áp pha nguồn 3 pha là 220V.

2.1 Các tham số cơ bản của mạch lực

Mạch lực được thiết kế như Hình 1.2

Để đánh giá dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu so với hình sin mong muốn, tacần sử dụng các tham số sau:

1 Hệ số sóng hài bậc k, là tỉ số giữa trị số hiệu dụng sóng hài bậc k với sóng hài

1

U 1

Các sóng hài có biên độ nhỏ hơn 3% biên độ sóng hài cơ bản được bỏ qua không xétđến ngay cả với LOH, lúc đó coi điện áp ra là hình sin hoàn chỉnh không méo.

Việc phân tích tính toán quy luật dòng điện chính xác có thể thực hiện, song sẽcho các biểu thức rất phức tạp, do đó trong bài toán này ta sẽ đơn giản hóa, sử dụngphương pháp “sóng hài cơ bản” Trong phương pháp này coi rằng điện áp ra chỉ chứamột thành phần cơ bản bậc một và do đó là hình sin hoàn chỉnh, nhờ vậy có thể giảimạch theo cách giải mạch hình sin quen thuộc

Điện áp cơ bản với k=1:

z= R +(ωL)L )

ωL)L φ=arctg( )

R

(7)

Dạng biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực và theo phương pháp sóng hài cơbản, qua đó có thể thấy điểm dòng điện qua điểm không cũng gần với với trường hợpkhi coi dòng điện là hình sin Từ đây, dễ dàng xác định được dòng trung bình qua cácvan:

Quá trình năng lượng cho thấy :

 Khi transistor dẫn nguồn E cấp năng lượng ra tải

 Khi điốt dẫn nguồn E nhận năng lượng từ điện cảm trả về

Do đó giá trị trung bình dòng một chiều từ nguồn có thể tính từ dòng trung bìnhqua các van I Tr , I D với lưu ý trong một chu kỳ có hai lần dẫn của nhóm van:

t

P 2000Với việc sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha làm nguồn cấp nguồn một chiều chomạch lực nguồn áp một pha thì điện áp đầu vào bộ nghịch lưu là:

E=220.2,34=514,8V

a Trị số hiệu dụng của sóng cơ bản:

Suy ra:

1m 1

Với các thông số này có thể 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 càng cao thìdiện tích bề mặt tản nhiệt cũng phải càng lớn, do đó không những kích thước tản nhiệttăng lên mà số cánh cũng nhiều hơn

Khi bố trí van trong tủ điện thiết bị phải lưu ý cho các cánh tản nhiệt ở vị tríthẳng đứng để quá trình đối lưu không khí làm mát được thuận lợi Nếu dùng quạt gióvẫn tuân theo nguyên tắc này và cho luồng gió chạy dọc theo các cánh tản nhiệt

Sau đây là bảng thống kê về diện tích bề mặt tản nhiệt cho các cỡ thông dụngnhất về dòng điện của van:

tế thì hoặc thay van loại khác phù hợp, hoặc phải đưa thêm các phần tử bảo vệ sự tăngtrưởng dòng sự cố xuống đến mức cho phép của van Mặt khác cũng phải đảm bảomạch về tính kịp thời của tác động

Có nhiều cách để bảo vệ mạch lực khi gặp sự cố ngắn mạch nhưng trong phần

em xin bày về phương pháp bảo vệ bằng cách ngắt xung điều khiển

Để tiến hành bảo vệ dòng điện điều đầu tiên phải có khâu đo dòng điện và biếnđổi thành điện áp tỉ lệ với dòng điện, vì các mạch xử lý chỉ làm việc với tín hiệu điện

áp Có hai cách lấy tín hiệu dòng tải:

Đo trực tiếp dòng điện tải, bằng dùng điện trở shunt mắc nối tiếp với tải, hoặc

dùng biến đổi dòng một chiều Phương pháp này đảm bảo chính xác và nhanh chóng,song có nhược điểm là nếu dùng điện trở thì khó tiến hành cách ly về điện giữa điềukhiển và mạch lực, mặt khác tín hiệu này thường rất nhỏ vì phải tuân theo chuẩn chếtạo là 60mV hoặc 75mV, do đó buộc phải thêm khâu khuếch đại tín hiệu Nếu dùngbiến dòng một chiều thì tuy đảm bảo cách ly về điện, song loại này không có chuẩn sẵnnhư điện trở shunt và khó chế tạo

Lấy gián tiếp dòng tải, bằng cách biến dòng xoay chiều mắc ở phía đầu vào của

chỉnh lưu Kiểu này đơn giản hơn vì các biến dòng xoay chiều được chế tạo theo chuẩndòng điện với đủ các cỡ dòng Phương pháp này hiện nay thông dụng

Sau khi đã có tín hiệu điện áp tỉ lệ với dòng điện, ta phải xử lý tín hiệu này.Đối mạch điều khiển là mạch số thì tín hiệu này được đưa vào ADC của bộ viđiều khiển Nếu giá trị đưa vào lớn hơn giá trị cho phép thì vi điều khiển làm nhiệm vụngắt xung điều khiển Khi tín hiệu ổn định thì vi điều khiển mới thực hiện phát xungtrở lại

3.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha

Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp một pha được mô tả bởi các khóa chuyển mạch S a , S b như sau:

N

Hình 3.1 Mô hình nghịch lưu nguồn áp một pha được mô

tả bằng khóa chuyển mạchĐiện áp pha a và điểm trung tính của sơ đồ Hình 2.1 được xác định như sau:

Giá trị hàm chuyển mạch S a=1hoặc Sa=−1

Giá trị trung bình điện áp đầu ra mạch nghịch lưu trong mỗi chu kỳ điều chế (trung bình ngắn hạn) u aNđược xác định như sau:

Trong nhiều ứng dụng của nghịch lưu nguồn áp một pha, giá trị trung bình U ab

có dạng hình sin Do đó, hàm điều chế tỷ lệ thuận với điện áp U ab và được viết dưới dạng tổng quát:

sin( t )

m M   (18)

Trong đó: M – gọi là hệ số điều chế và ω – là tần số cơ bản đầu ra mạch nghịch lưu

3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha

Để có thể phân tích nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung chonghịch lưu một pha, ta có thể giả thiết các van bán dẫn ở mạch nghịch lưu là phần tử lýtưởng Có 2 phương pháp điều chế độ rộng xung để tạo ra điện áp hình sin cho cầunghịch lưu một pha

 Điều chế đơn cực

 Điều chế lưỡng cực

3.2.1 Phương pháp điều chế lưỡng cực

Hai cặp van S1¿S2và S3/S4 được điều khiển bởi 2 tín hiệu có trạng thái logic phủđịnh nhau

Cách điều khiển này dẫn đến: Trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tảiluôn nhân điện áp ngược dấu U dc hoặcưU dc Nếu thực hiện bằng kỹ thuật Analog,có thể

tọa ra hai tín hiệu logic bằng các so sánh tín hiệu điều khiển m với chuỗi xung răngcưa.

Hình 3.2 Dạng điện áp theo phương pháp điều chế lưỡng cực

Phương pháp điều chế PWM nói trên chủ yếu được thực hiện bằng kỹ thuậtAnalog Để hiểu rõ hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹthuật Digital (sử dụng vi điều khiển), ta có thể nhận thức vấn đề dưới góc nhìn vectorcho phương pháp điều chế lưỡng cực như sau:

Trạng thái logic của mạch:01

Hình 2.3 Trạng thái mạch nghịch lưu theo phương pháp

điều chế lưỡng cực3.2.2 Phương pháp điều chế đơn cực

Nếu phương pháp hai cực chỉ dùng 1 tín hiệu điều khiển m để điều khiển haicặp van S1¿S4và S3¿S2, thì phương pháp đơn cực lại dùng 2 tín hiệu ngược dấu nhau m

và –m chỉ để điều khiển cặp van phía trên S1¿S3 Còn hai cặp van phía dưới được điềukhiển hoàn toàn phụ thuộc 2 van đó: S4nhận trạng thái phủ định của S1, còn S2 nhậntrạng thái logic phủ định của S3 Dễ dàng nhận thấy: Trong phạm vi nửa chu kỳ củađiện áp cần tạo, phụ tải chỉ nhận điện áp một dấu

Hình 3.4 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực

Phương pháp điều chế PWM nói trên được thực hiện chủ yếu bằng linh kiệnAnalog Để hiểu rõ hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹthuật Digital, ta có thể nhận thức vấn đề dưới góc nhìn vector cho phương pháp điềuchế đơn cực như sau: Nếu định nghĩa trạng thái logic của hai điểm A, B (hai đầu củađiện trở tải) là 1 khi chung được nối với cực dương, là 0 khi chúng được nối với cực

âm của mạch DC Khi ấy, một nghịch lưu đơn với 2 nhánh có thể tạo được 22

=4 trạngthái logic với sơ đồ mạch minh họa như hình dưới:

Trạng thái logic của mạch:01

Udc

+

-Trạng thái logic của mạch:11

Uab=0

Udc

Uab=0+

-Trạng thái logic của mạch:00

Hình 3.5 Trạng thái mạch nghịch lưu trong phương pháp điều chế đơn cựcCác trạng thái logic ứng với các vector điện áp chuẩn u1 (trạng thái 10), u2 (trạngthái 01) và u0,3(trạng thái 00, 11) Vị trí vector này nằm trên hệ tọa độ tĩnh αβ Biên độvector chuẩn này được xác định như sau:

TT

2 S

TT

Hình 3.6 Biểu đồ vector của kỹ thuật điều chế đơn cực

Bước 1: Xác định vị trí của vector điện áp u ab, vị trí góc θ cho ta biết được thông tinhiện tại vector điện áp u ab đang nằm trong góc phần tư nào.

Bước 2: Tính thời gian thực hiện vector chuẩn.

Trong nửa chu kỳ dương (vị trí vector u ab ở hai góc phần tư Q1 và Q4), vector

u ab được thực hiện bằng vector u1 trong khoảng thời gian T1, khoảng thời gian còn lại (

T S−T1) thực hiện vector không u0,3, thời gian T1 được xác định như sau:

Trong nửa chu kỳ âm (vị trí vector u ab ở hai góc phần tư Q2 và Q3), vector u ab

được thực hiện bằng vector u2 trong khoảng thời gian T2, khoảng thời gian còn lại (

T S−T2) thực hiện vector không u0,3, thời gian T2 được xác định như sau:

Tại 2 góc phần tư Q2 và Q3 giá trị cosθ mang dấu âm

Bước 3: Muốn xác định thời gian dẫn cho các van ta xây dựng được mẫu xung cho

từng góc phần tư, tương ứng nửa chu kỳ dương (góc phần tư Q1 và Q4) và nửa chu kỳ

âm (góc phần tư Q2 và Q3)

T 4

0

T 4

1

T 2

S

T 2

S

T2

Hình 3.7 Mẫu xung chuẩn đưa ra nghịch lưu một pha

a) nửa chu kỳ dươngb) nửa chu kỳ âm

Hệ số điều chế cho van bán dẫn ở nhanh trên của mạch nghịch lưu trong mỗichu kỳ điều chế được tổng hợp trong bảng sau:

Góc phần tư Nhánh van trênQ1 và Q4 d S 1=d0/4

3.3 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang

Khuếch đại xung là một tầng quan trọng trước khi xung điều khiển được đưađến van

Đối với van IGBT thì điện áp cần thiết để mở van là phải lớn hơn 15V, còn điện

áp để van đóng hoàn toàn là -5V Vì vậy nhiệm vụ chính của tầng khuếch đại xung là:

 Đảm bảo xung điều khiển có thể đóng/mở van đóng yêu cầu

PWMout

0 +5

+15

-5

PWMin

N/C ANODE CATHODE N/C

VCC VO VO VEE

1 2 3

6 7

VCC VO VO VEE

1 2 3

6 7 8 HCPL3120

Hình 3.7 Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của HCPL3120

3.4 Bộ lọc tần số đầu ra cho phương pháp SPWM

3.4.1 Nguyên lý làm việc của các bộ lọc

Tải công suất không thể sử dụng các phương pháp lọc tần số hiệu quả như trong

kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng khuếch đại thuật toán OA 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 côngsuất không thể tránh khỏi làm giảm hiệu suất của hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kểkhích thước thiết bị Hơn nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao, đó là cácnhược điểm chính của lọc thụ động

Về nguyên tắc, bộ lọc thụ động chỉ có thể là các phần tử đấu nối tiếp hay songsong tải với các tổng trở Z nωtt , Z¿ / ¿¿ Từ đây có thể thấy nguyên lý chung để thực hiện lọclà:

Phần tử mắc nối tiếp với tải: hình thành một bộ chia điện áp theo tỉ lệ tươngquan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì điện áp trên nó cũng lớn, bởi vậy cần:

 Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn Z nωtt ≪ Z tải và tốt nhất Z nωtt=0 (cộng hưởng),lúc đó toàn bộ sóng cơ bản được đưa ra không tổn thất ở khâu lọc

 Với các thành phần bậc cao thì ngược lại Z nωtt ≫ Z tải để điện áp với các tần số nàyrơi chủ yếu ở Z nωtt, tức là được giữ lại ở khâu lọc

Với phần tử mắc song song với tải hình thành một bộ chia dòng theo tỉ lệ tươngquan giữa chúng, tổng trở nào càng nhỏ thì dòng chính rẽ nhánh qua nó càng nhiều, vìvậy cần:

 Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn Z nωtt ≫ Z tải và tốt nhất Z nωtt=∞ (cộng hưởng

ở tần số cao), lúc đó toàn bộ dòng của sóng hài cơ bản được đưa ra tải

 Với các thành phần bậc cao thì ngược lại Z nωtt ≪ Z tải để dòng với các tần số này rẽhết vào khâu lọc này

Rt

C Uv

 Lọc lấy sóng hài cơ bản, song giá trị các phần tử không cần lớn đo phương pháp

đã cho phép giảm hệ số méo đi rất nhiều

 Chặn sóng hài với tần số bằng sóng mang, đặc biệt với phụ tải như động cơ điện

vì tần số sóng này thường khá cao dễ gây ra các xung áp lớn làm cho hỏng thiếtbị

Với nghịch lưu có tần số ra cố định ta vẫn có thể dùng lọc cộng hưởng, tuynhiên do phương pháp PWM đã cải thiện đáng kể phổ sóng hài của điện áp nên có thểkhông dùng lọc hai mắt cộng hưởng mà thường dùng khâu lọc đơn giản hơn và côngsuất bộ lọc cũng giảm đáng kể

Sử dụng bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp:

1 1 t

Q

ε =

P ; trong đó: Q =Q =Q =I Z 1 L1 C1 12 C1;

1 C1 1 1

1 1 1

L1

2 2 t

Q

ε =

P ; trong đó:

2 ra

L1

Biểu thức của hệ số truyền đạt điện áp sóng hài khi có tải (m≠0):

1

K (q)=

ε ε (q -1) 1-

C2 2

1 C2

2 Xác định mắt cộng hưởng nối tiếp L1C1:

Từ điều kiện chống dao động ở tần số sóng hài thấp nhất (q=3):

-6 1

1 C1

C1 1 1

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

4.1 Chế độ đơn cực

c) Điện áp đầu ra khi có bộ lọc d) Phân tích phổ điện áp đầu ra

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng cho chế độ đơn cực

4.2 Chế độ lưỡng cực

c) Điện áp đầu ra khi có bộ lọc d) Phân tích phổ điện áp đầu ra

Hình 4.2 Kết quả mô phỏng cho chế độ lưỡng cực