THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG SIN

Xây dựng mô hình thí nghiệm gồm các mô đun: + Mô đun nguồn (xoay chiều và một chiều) + Mô đun điều khiển (điều khiển theo phương pháp 6 bước, điều khiển theo phương pháp điều chế xung sine) + Mô đun cách ly + Mô đun biến đổi công suất (dùng IGBT) + Mô đun tải (R, L) Xây dựng các bài thí nghiệm: + Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều khiển 6 bước (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây) + Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều chế xung sine (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây, so sánh với phương pháp điều khiển 6 bước)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG SIN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN ĐÌNH ĐĂNG KHOA NGUYỄN ANH KHÔI

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên Khóa: 2013-2017

Tháng 6/2017

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU 3

PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG SIN

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sĩ NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Tháng 06 năm 2017

CẢM TẠ

Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ ChíMinh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những kiếnthức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ

chúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Đăng Khoa đã tậntình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét

và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã độngviên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn thànhluận văn

TP.HCM Ngày 15 Tháng 6 Năm 2017

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ANH KHÔINGUYỄN ĐÌNH ĐĂNG KHOA

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm mạch nghịch lưu 3 pha bằng

phương pháp điều chế xung sin” Được tiến hành tại xưởng thực tập CK01 thuộc khoa

Cơ Khí - Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm TP HCM, thời gian thực hiện đề tài từ14/02/2017 đến tháng 04/06/2017

Nội dung thực hiện

- Xây dựng mô hình thí nghiệm gồm các mô đun:

+ Mô đun nguồn (xoay chiều và một chiều)

+ Mô đun điều khiển (điều khiển theo phương pháp 6 bước, điều khiển theophương pháp điều chế xung sine)

+ Mô đun cách ly

+ Mô đun biến đổi công suất (dùng IGBT)

+ Mô đun tải (R, L)

- Xây dựng các bài thí nghiệm:

+ Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều khiển 6 bước (đo dạng sóngtín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây)

+ Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều chế xung sine (đo dạngsóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây, so sánh với phươngpháp điều khiển 6 bước)

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách các hình vi

CHƯƠNG.1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích của đề tài 3

CHƯƠNG.2 TỔNG QUAN 4

2.1 Các phương pháp nghịch lưu 3 pha 4

2.1.1 Nghịch lưu dòng 3 pha 4

2.1.2 Nghịch lưu áp 3 pha 7

2.1.2.1 Phương pháp điều khiển theo biên độ (Phương pháp 6 bước) 11

2.1.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) 14

2.1.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM) 18

2.1.2.4 Phương pháp điều chế Vector không gian (Space vector modulation) 19

2.2 Cấu tạo và phương pháp đóng mở IGBT 20

2.2.1 Quá trình đóng cắt 21

2.2.2 Yêu cầu với tín hiệu điều khiển 22

2.2.3 Vấn đề bảo vệ IGBT 22

2.2.4 Ưu điểm và hạn chế của IGBT 23

2.3 Khảo sát bộ thí nghiệm biến tần kiểu điều rộng xung của Vielina 23

2.4 Các phương pháp tạo xung sin, xung tam giác 26

2.5 Đề xuất nhiệm vụ đề tài 27

CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

3.1 Linh kiện nghiên cứu 31

3.2 Nội dung nghiên cứu 31

3.3 Phương pháp nghiên cứu 31

3.3.1 Phương pháp lý thuyết 31

3.3.2 Phương pháp thiết kế mô hình 32

CHƯƠNG.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

4.1 Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm nghịch lưu 3 pha 33

4.1.1 Thiết kế chế tạo module điều khiển bằng phương pháp điều khiển 6 bước và SPWM 33

4.1.1.1 Thiết kế chế tạo bộ phát xung vuông điều khiển 6 bước 34

4.1.1.2 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển theo phương pháp SPWM 34

4.4.2 Thiết kế, chế tạo bộ cách ly 37

4.4.3 Thiết kế, chế tạo bộ module công suất 38

4.4.4 Thiết kế chế tạo module tải 39

4.3 Xây dựng bài thí nghiệm 40

4.3.1 Thí nghiệm bộ nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp 6 bước 40

4.3.2 Thí nghiệm bộ nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp SPWM 45

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 49

5.1 Kết quả 49

5.2 Đề nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 1

Hình 1.1 Ứng dụng inverter trong máy điều hòa 1

Hình 1.2 Máy giặt sử dụng công nghệ inverter và non-inverter 2

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN 4

Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha 4

Hình 2.2 Giản đồ xung của nghịch lưu dòng 3 pha 5

Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha có diode ngăn cách 6

Hình 2.4 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha nguồn dòng 6

Hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha 8

Hình 2.6 Luật điều khiển các van động lực 8

Hình 2.7 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha 9

Hình 2.8 Chiều điện áp qui ước 10

Hình 2.9 Giản đồ xung kích và điện áp ra của bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều khiển theo biên độ (6 bước) 12

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chế xung sin 14

Hình 2.11 Điều chế xung PWM 3 pha 15

Hình 2.12 So sánh giữa sóng sin và sóng tam giác 16

Hình 2.13 Trạng thái điện áp trên tải với tần số xung tam giác thấp 17

Hình 2.14 Trạng thái điện áp trên tải với tần số xung tam giác cao 17

Hình 2.15 Giản đồ kích đóng của van động lực 18

Hình 2.16 Cấu trúc IGBT điển hình 20

Hình 2.17 Đặc tính động của IGBT 21

Hình 2.18 Mạch điều khiển đơn giản của IGBT 22

Hình 2.19 Sơ đồ khối biến tần điều rộng xung 24

Hình 2.20 Giản đồ thời gian hoạt động của bộ biến tần điều rộng xung 24

Hình 2.21 Dạng sóng ngõ ra của bộ biến tần và bộ nghịch lưu theo phương pháp điều chế xung sin 25

Hình 2.22 Nguyên lý bộ boost converter 26

Hình 2.23 Thiết bị thực tập về biến tần kiểu điều rộng xung 27

Hình 2.24 Tạo xung PWM bằng phương pháp so sánh 29

Hình 2.25 Dạng sóng PWM 3 pha 30

CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu 3 pha 33

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý máy phát xung vuông 34

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát xung sin 3 pha 34

Hình 4.4 Mạch tạo sóng tam giác 35

Hình 4.5 Sơ đồ tạo xung PWM 36

Hình 4.6 Module điều khiển 37

Hình 4.8 Bề mặt biểu diễn của module công suất 39

Hình 4.9 Mạch thiết kế module tải 39

Hình 4.10 Cách nối dây từ bộ tạo xung vuông ra module cách ly 42

Hình 4.11 Cách nối dây từ module cách ly sang module công suất 42

Hình 4.12 Các kiều nối dây tải 42

Hình 4.13 Tín hiệu xung vuông được tạo ra từ vi điều khiển 43

Hình 4.14 Tín hiệu ở tải hình sao 43

Hình 4.15 Tín hiểu ở tải hình tam giác 44

Hình 4.16 Sơ đồ nối dây từ bộ tạo xung sin và xung tam giác qua bộ so sánh 45

Hình 4.17 Tín hiệu của bộ phát xung sin 46

Hình 4.18 Tín hiệu máy phát xung tam giác 46

Hình 4.19 Tín hiệu PWM 47

Hình 4.20 Tín hiệu ở tải hình sao tần số xung tam giác thấp 47

Hình 4.21 Tín hiệu ở tải hình sao tần số xung tam giác cao 48

Hình 4.22 Tín hiệu tải hình tam giác 48

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ ĐỀ NGHỊ 49

Chương 1

MỞ ĐẦU1.1 Đặt Vấn Đề

Hiện nay tất cả các ngành công nghiệp hiện đại đều chú trọng đến côngnghệ inverter (còn gọi là công nghệ biến tần) là công nghệ tiên tiến hàng đầu nhất hiệnnay Công nghệ này ứng dụng để kiểm soát công suất của thiết bị nhằm tránh hao phínăng lượng không đáng có

Ngoài ra inverter còn được hiện diện trong hầu hết các thiết bị điện gia dụng trongmỗi gia đình hiện nay

Ví dụ: Máy điều hòa sử dụng inverter

Hinh 1.1: Ứng dụng inverter trong máy điều hòa

Máy điều hòa sử dụng inverter có cơ chế vận hành êm hơn, có thể tiết kiệm điện từ30%, thậm chí đến 60% điện năng sử dụng so với điều hòa không sử dụng inverter

Máy giặt sử dụng sử dụng inverter

Với máy giặt sử dụng công nghệ inverter sẽ có động cơ dẫn động trược tiếp so vớimáy giặt thông thường sử dụng động cơ dẫn động gián tiếp

Hình 1.2: Máy giặt sử dụng công nghệ inverter và non-inverter

a Máy giặt sử dụng động cơ dẫn động trực tiếp

b Máy giặt sử dụng động cơ thông thườngThiết kế đặc biệt này sẽ giúp giảm được hao tổn về điện năng cũng như hệ thốngmáy móc vận hành bên trong máy, đặc biệt hơn nó còn giúp máy chạy êm, nhẹ, khôngrung lắc như những chiếc máy giặt thông thường khác Ngoài ra động cơ của máy giặtinverter cũng hoạt động mạnh hơn, nhanh hơn giúp cho tần suất quay vắt đạt được tốc độlớn hơn rất nhiều, đảm bảo quần áo được giặt sạch, nhanh, khô và tiết kiệm thời gian hơn

và khối lượng giặt lớn hơn so với máy giặt thường…

Ngoài những ví dụ trên thì còn rất nhiều ứng dụng của inverter trong các thiết bịsinh hoạt hằng ngày của chúng ta Như vậy ta có thể thấy tầm quan trọng của côngnghệ inverter đối với đời sống con người hiện nay

Thấy được vấn đề trên và để hiểu sâu hơn về công nghệ inverter, nhóm đã chọn đề

tài: “Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm mạch nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp

điều chế xung sin” Có thể biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha nhằm

hỗ trợ sinh viên các khối ngành kỹ thuật có thể tiếp cận được với công nghệ mới này mộtcách dễ dàng hơn, cung cấp một số kiến thức cơ bản để ứng dụng vào công việc cũng nhưcuộc sống sau này.

1.2 Mục đích của đề tài

- Khảo sát một số phương pháp điều khiển nghịch lưu 3 pha, mô hình bộ nghịch

lưu 3 pha với :

+ Module điều khiển bằng phương pháp sin PWM và điều khiển bằng phươngpháp 6 bước

+ Module cách ly quang bằng opto

+ Module công suất với các van đông lực

+ Module tải 3 pha R-L

- Xây dựng các bài thí nghiệm cho sinh viên Qua đó giúp cho sinh viên hiễu rõhơn về sự biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều

- Sản phẩm của đề tại là: mô hình thí nghiệm mạch nghịch lưu 3 pha bằng phươngpháp điều chế xung sin và phương pháp điều khiển 6 bước

Chương 2 TỔNG QUAN2.1 Các phương pháp nghịch lưu 3 pha

2.1.1 Nghịch lưu dòng 3 pha

Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng điện một chiều thành dòng điệnxoay chiều Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộbiến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn vô cùng đểdòng điện là liên tục

Trong thực tế nghịch lưu dòng 3 pha được sử dụng phổ biến vì công suất của nólớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp

Cũng giống như nghịch lưu dòng một pha nghịch lưu dòng 3 pha cũng sử dụng cácvan động lực điều khiển, ở đây ta xét tiristo

Để khoá được các van thì phải có các tụ chuyển mạch C1, C3, C5

Vì là nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn dòng, vì vậy giá trị cuộncảm Ld¿∞

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha

Hình 2.2: Giản đồ xung của nghịch lưu dòng 3 pha

Đảm bảo khoá được các tiristo chắc chắn và tạo ra dòng điện 3 pha đối xứng thì

luật dẫn điện của các tiristo phải tuân theo đồ thị như trên hình 2.2 Qua đồ thị ta thấy

mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian 120o

Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm.Trong nghịch lưu nguồn dòng vì tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên giữa tải

và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài khádốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng Để làm giảm ảnh hưởng của tải đếnquá trình nạp của tụ C, người ta sử dụng điốt ngăn cách D1, D2, D3, D4, D5, D6 (trên hình

2.3).

Việc sử dụng các điôt này đòi hỏi phía tụ chuyển mạch chia làm hai nhóm : Nhóm

C1, C3, C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1, T3, T5 Nhóm C2, C4, C6 dùng để chuyểnmạch cho các van T2, T4, T6

Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu 3 pha có diode ngăn cách

Nghịch lưu dòng như đã phân tích ở trên không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng

mà còn phát ra công suất tác dụng vì dòng id không đổi hướng nhưng dấu của điện áp haiđầu nguồn có thể đảo dấu Điều đó có nghĩa là khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơđiện xoay chiều, động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh

Hình 2.4: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha nguồn dòng

Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha nguồn dòng có biên dạng hình bậc thang

được trình bày ở hình 2.4.

2.1.2 Nghịch lưu áp 3 pha

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều.Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa điện áp racủa nghịch lưu áp có thể điều chế theo nhiều phương pháp khác nhau để có thể giảm đượclượng sóng hài bậc cao

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điệnqua nó, tức đóng vai trò như một công tắt Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, cóthể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc (van động lực) và ở phạm vicông suất lớn có thể sử dụng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lýtưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không

Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha hình 2.5 được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung

tính

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

Giả thiết các van là lý tưởng

hai chiều

 Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với chế độ dẫn điện

Các Điốt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn

Ta xét cụ thể nguyên lý và luật điều khiển cho các van (tiristo) như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha

Hình 2.6: Luật điều khiển các van động lực

Để đảm bảo tạo ra điện áp 3 pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo

đồ thị trên hình 2.6 Như vậy

• T1, T4 lệch nhau 180o để tạo ra pha A

• T3, T6 lệch nhau 180o để tạo ra pha B

• T5, T2 lệch nhau 180o để tạo ra pha C

• Các pha lệch nhau 120o.

Hình 2.7: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 3 pha

cũng như cách nối mạch các van động lực nhưng biên dạng của điện áp ngõ ra của bộnghịch lưu nguồn áp và nguồn dòng là giống nhau

 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp.

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xungPWM và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tảiđược điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung

có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộnghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau

Trước khi đi vào các phương pháp điều khiển, ta sẽ phân tích điện áp bộ nghịchlưu áp 3 pha

Giả thiết tải 3 pha đối xứng thõa mãn hệ thức:

Ut1 + Ut2 + Ut3 = 0

Ta tưởng tượng nguồn áp U được phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm nút phân thế

O (một cách tổng quát, điểm phân thế O có thể chọn ở vị trí bất kỳ trên mạch nguồn DC).Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng sao Điện áp pha tải Ut1, Ut2, Ut3

*Hệ quả: Quá trình điện áp (và do đó quá trình dòng điện) ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 3

pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian U10, U20, U30

*Xác định điện áp pha- tâm nguồn cho bộ nghịch lưu áp

Cặp công tắc cùng pha: gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ(S1, S4), (S3, S6), (S5, S2) là các cặp công tắc cùng pha

2.1.2.1 Phương pháp điều khiển theo biên độ (Phương pháp 6 bước)

Phương pháp điều khiển theo biên độ được gọi tắt là phương pháp điều biên hayphương pháp 6 bước Khác với các phương pháp sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung(PWM) chỉ cần nguồn áp DC không đổi, phương pháp điều biên đòi hỏi điện áp nguồn

DC điều khiển được Độ lớn điện áp ra được điều khiển hoặc kết hợp bộ chỉnh lưu khôngđiều khiển và bộ biến đổi điện áp DC

Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha tải được kích đóng với thời gian bằngnhau mà bằng một nữa chu kỳ áp ra Mạch điều khiển kích đóng các công tắc trong bộnghịch lưu áp vì thế đơn giản

Bộ nghịch lưu áp 3 pha điều khiển theo biên độ còn được gọi là bộ nghịch lưu áp 6bước (six – step voltage inverter) Tần số áp cơ bản bằng tần số đóng ngắt linh kiện Cácthành phần sóng hài bội ba và bậc chẵn không xuất hiện trên áp dây cung cấp cho tải Còncác sóng hài bậc (6k ± 1), k = 1, 2, 3…cần khử bỏ bằng các biện pháp lọc sóng hài

Hình 2.9: Giản đồ xung kích và điện áp ra của bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều

khiển theo biên độ (6 bước)

- Độ lớn điện áp ra được điều khiển bằng cách điều khiển điện áp nguồn DC

- Các cặp công tắc trên cùng một pha (S1 và S4; S3 và S6; S5 và S2) được kích đóng vớithời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra

-Tần số áp ra bằng tần số đóng ngắt của các linh kiện

ra Ut của sẽ có biên dạng hình bậc thang được biểu diễn ở hình 2.9 nhưng là cố định

không thay đổi được độ lớn tần số theo ý muốn

Bài toán cho tải dạng sao

Dạng điện áp pha tải

VD Ut1 (Xem đồ thị Ut1 ở hình 2.9) có thể biểu diễn dưới dạng:

Ut1(t) = π2 U (sin ω t + 15sin5ω t + 17sin7ω t + )

Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải có thể xác định theo hệ thức:

Với n = 1, biện độ thành phần hài cơ bản: U t1(1)m= π2U.

Trị hiệu dụng điện áp 3 pha có độ lớn:

Tải đấu tam giác:

Điện áp tải Ut12 có thể biều diễn dưới dạng:

Biên độ thành phần sóng hài bậc n điện áp pha tải:

Sóng hài bật cao xuất hiện trong dạng áp tải khá cao, do đó hạn chế phạm vi sửdụng phương pháp điều biên, nhất là ở tần số thấp.

Nếu sử dụng thyristor kết hợp với bộ chuyển mạch làm chức năng công tắc trong

bộ nghịch lưu áp, và nếu bộ chuyển mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp mộtchiều, phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải trong phạm

vi điện áp nhỏ

Ngoại trừ trường hợp điều khiển theo biên độ đòi hỏi nguồn DC điều khiển đượccác phương pháp khác dựa vào kỹ thuật PWM sử dụng nguồn điện áp DC không đổi.Trong trường hợp này, nguồn DC có thể tạo nên từ lưới điện AC qua bộ chỉnh lưu khôngđiều khiển và mạch lọc chứa tụ hoặc trực tiếp từ các nguồn dự trữ dưới dạng pin

2.1.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chế xung

Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóngcông tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

Hình 2.11: Điều chế xung PWM 3 pha

-Sóng mang Up (Vtri) (carriersignal) tần số cao

-Sóng điều khiển Ur refence signal) (hoặc sóng điều chếmodulating signal) dạng sin

(Vcontrol-Ví dụ: công tắc lẻ được kích đóngkhi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang

Ur > Up (Vcontrol> Vtri) Trong trườnghợp ngược lại, công tắc chẵn được kíchđóng

Sóng mang Ur (Vtri) có thể ở dạngtam giác Tần số sóng mang càng cao,lượng sóng hài bậc cao bị khử bớt càngnhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra,

các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng ton và ngắt toff nhất định Các yếu tố này làm hạnchế việc chọn tần số sóng mang

Sóng điều khiển Vcontrol mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài

cơ bản của điện áp ngỏ ra Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng điều khiểncủa ba pha phải được tạo lệch nhau 120o

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (Frequency midulation ratio):

Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện Điểmbất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do đóng ngắt lớn

Tương tự, gọi m là tỉ số điều chế biên độ (Ampliude modulation radio):

ma = Um-reference/Um-carrier = Um-sine/Um-tri

Nếu ma≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độthành phần cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính

Đối với bộ nghịch lưu áp 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản

Hình 2.12: so sánh giữa sóng sin và sóng tam giác.

Khi giá trị ma> 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn biên độ sóng mang thì biên độ

lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt mức giới hạn cho bởi phương pháp 6bước Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế hoặc điều chế mở rộng

Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp 3 pha, các thành phần sóng hài bậc cao sẽ đượcgiảm đến cực tiểu nếu giá trị mf được chọn bằng số lẻ bội ba

Nếu để ý đến hệ thức tính chỉ số điều chế, ta thấy phương pháp SPWM đạt đượcchỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng với biên độ sóngmang Lúc đó ta có:

U

22

π U

4 = 0,785

Phân tích sóng hài: Việc đánh giá chất lượng sóng hài xuất hiện trong điện áp tải

có thể được thực hiện bằng phân tích chuỗi Fourier Ở đây, chu kỳ lấy tích phân Fourierđược chia thành nhiều khoảng nhỏ, với cận lấy từng tích phân của từng khoảng được xácđịnh từ các giao điểm của sóng điều khiển và sóng mang dạng tam giác

Hình 2.13: Trạng thái điện áp trên tải với tần số xung tam giác thấp

Hình 2.14: Trạng thái điện áp trên tải với tần số xung tam giác cao

Tần số sóng tam giác ở hình 2.13 là 900Hz và của hình 2.14 là 3000Hz Dễ dàng

nhận ra khi tăng tần số sóng mang lên thì biên dạng của điệp áp đầu ra có sự thay đổi

2.1.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM)

Ảnh hưởng của một số sóng hài bậc thấp chứa trong áp ra có thể khử bỏ hoặc hạnchế bằng phương pháp điều chế độ rộng xung rối ưu Giản đồ kích đóng các công tắcđược thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích đóng các linhkiện,

Trong trường hợp hàm tối ưu được thực hiện bằng cách triệt tiêu một số sóng hàibậc cao, phương pháp trên được gọi là phương pháp triệt tiêu các sóng hài chọn lọc(Selective Harmonic – SHE)

Biên độ các sóng hài có thể xác định qua khai triển chuỗi Fourier dạng sóng áp ra:

U1 = U1(α1, α2, , αn) U3 = U3(α1, α2, , αn)

U2k+1 = U2k+1(α1, α2, , αn)

Hình 2.15: Giản đồ kích đóng của van động lực

Với SHE, giản đồ kích đóng được chọn sẽ khử bỏ (n-1) sóng hài bậc cao và điềukhiển sóng hài cơ bản, hàm tối ưu quan hệ giữa các góc α1, α2, , αn được biểu diễn qua hệphương trình sau:

U1 = U1(α1, α2, , αn)

0 = Uk1(α1, α2, , αn)

0 = Uk2(α1, α2, , αn)

0 = Uk(n-1) (α1, α2, , αn)Giải hệ phương trình xác định góc kích α1, α2, , αn ta sẽ thiết lập được giản đồ kíchđóng các công tắc

2.1.2.4 Phương pháp điều chế Vector không gian (Space vector modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của vectorkhông gian trong máy phát điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệthống điện 3 pha Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó cótính hiện đại, giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụngphổ biến nhất hiện nay trong lãnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đạilượng xoay chiều 3 pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạchlọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian:cho đại lượng 3

Hằng số k có thể chọn với các giá trị khác nhau Với k = 2/3, phép biến hình không bảo toàn công suất và với k = √2/3 phép biến hình bảo toàn công suất.

khiển bộ nghịch lưu 3 pha bằng phương pháp điều chế xung sin (SPWM) là một trongnhững cách đơn giản trong việc tiến hành thực hiện nhưng mang lại hiệu quả cao cũngnhư có thể ứng dụng vào nhiều hệ thống hiện nay

2.2 Cấu tạo và phương pháp đóng mở IGBT

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớpnối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter (tương tự cực gốc) vớicollector(tuơng tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET Vì thế có thể coiIGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi mộtMOSFET

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện

tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phíacollector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistorthường,tạo nên dòng Collector

Hình 2.16: Cấu trúc IGBT điển hình

2.2.1 Quá trình đóng cắt.

Do có cấu trúc đặc thù mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn ở IGBT thấphơn so với ở MOSFET Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gian đóng cắt của IGBTchậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khoá lại

Hình 2.17: Đặc tính động của IGBT

2.2.2 Yêu cầu với tín hiệu điều khiển

IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nên yêu cầu điện áp

có mặt liên tục trên cực điều khiển và emittor để xác định chế độ khoá, mở Mạch điều

khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ hình 2.18

Hình 2.18: Mạch điều khiển đơn giản của IGBT

Ở đây tín hiệu được đưa ra từ bộ cách ly sử dụng opto để đưa tín hiệu vào chân Gcủa IGBT để xác nhận tín hiệu đóng ngắt

2.2.3 Vấn đề bảo vệ IGBT

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đếnhàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rấtnhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng dongắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiênquá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệttăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khi khóa IGBT lại trongmột thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dẫn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áptrên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử Trong sự cố quá dòng, không thể tiếptục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo qui luật như cũ, cũng không đơn giản làngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được

Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạchdập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần tử Tuy nhiên các mạch dập có thểlàm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm

chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off) khi phát hiện

có sự cố dòng tăng quá mức cho phép

2.2.4 Ưu điểm và hạn chế của IGBT.

IGBT hiện nay được kỳ vọng sẽ dần dần thay thế tất cả các loại khóa còn lại Bên cạnh những ưu điểm vượt trội thì vẫn còn một số những hạn chế nhất định

+ Ưu điểm:

• Cho phép đóng cắt dễ dàng, chức năng điều khiển nhanh

• Chịu áp lớn hơn MOS, thường từ 600V tới 1.5kV, những loại lớn hơn thì hơi đặc biệt

• Tải dòng lớn, cỡ xấp xỉ 1KA Sụt áp bé và cũng điều khiển bằng áp

+ Hạn chế:

• Công suất vừa và nhỏ

• Tần số thấp hơn nhiều so với MOS Do vậy, với những ứng dụng cần tần số cao áp 400V thì MOS vẫn được ưu tiên Nếu IGBT hoạt động ở tần số cao thì sụt áp sẽ lớn

• Giá thành cao hơn các linh kiện khác như MOSFET

2.3 Khảo sát bộ thí nghiệm biến tần kiểu điều rộng xung của Vielina

Sơ đồ khối cho bộ biến tần theo phương pháp điều rộng xung được trình bày trên

hình 2.19 Tín hiệu từ máy phát tín hiệu sin 3 pha cùng với tín hiệu dạng tam giác được

so sánh tại các bộ so sánh COM 1, 2, 3 Ngõ ra bộ so sánh cho chuỗi xung có độ rộngthay đổi tương ứng với tín hiệu sin chuẩn Khi thay đổi biên độ hoặc tần số tín hiệu sine,chuỗi xung có số xung và độ rộng thay đổi tương ứng theo Các chuỗi xung có độ rộngthay đổi qua ngõ ra (Drive) để điều khiển các cặp MOSFET tương ứng và hình thành tínhiệu ra Khối biến đổi DC-DC ngõ vào cho phép tạo áp một chiều cung cấp cho bộ biếntần