Đồ án điện tử công suất Tự động hóa XNCN

Thiết kế bộ nghịch lưu điện áp với tần số ra không đổi

Bộ môn: Tự động hóa XNCN

Đồ án điện tử công suất

Đề 22: Thiết kế nghịch lưu điện áp với tần số ra không đổi với các tham

số sau

Thầy giáo hướng dẫn TS.Trần Trọng Minh

Sinh viên thực hiện Nguyễn Bình Thủy

Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án 5

Chương III: Thiết kế và tính toán mạch lực.

Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.

4.1Thiết kế mạch điều khiển

4.2:Tính toán mạch điều khiển

Lời Nói Đầu

Cùng với sự phát triển của nghành công nghiệp bán dẫn,Điện tử công suất

đã bước sang một trang mới với những bộ biến đổi hiệu suất đạt được ngày càng cao,hiệu suất lớn.Mặc dù vậy do yêu cầu của nền công nghiệp phát triển cũng như yêu cầu của đời sống thì các bộ biến đổi còn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe,như kích thước phải nhỏ,mật độ công suất lớn,độ tin cậy cao

Ngày nay, nguồn điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnhvực cũng như trong các loại thiết bị và máy móc.Có nhiều cách để tạo ra dòngđiện xoay chiều,trong đó nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãitrong các lĩnh vực như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như ác quy),các

hệ chuyển động xoay chiều,giao thông,truyền tải điện năng,luyện kim…Vớivai trò và ý nghĩa thực tiễn như thế,sau đây em xin trình bày những hiểu biết

của em về đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu điện áp với tần số ra không đổi

với các tham số sau:

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiệnNguyễn Bình Thủy

Chương I: Tìm hiểu về công nghệ

Có thể thấy rằng năng lượng điện tích trữ chủ yếu tồn tại dưới dạngmột chiều như trong các bộ ắcquy, trong tụ điện…Ngày nay các bộ nghịchlưu được ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp cũng như trong cuộc sống.Tuỳ theo chế độ làm việc của nguồn một chiều cung cấp mà NLĐL đượcphân loại thành NLĐL nguồn áp, NLĐL nguồn dòng và NL cộng hưởng

1.2 ưu điểm của bộ nghịch lưu áp ba pha

Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa,điện

áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thểgiảm được sóng điều hòa bậc cao.Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trongứng dụng vì công suất trong các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ.Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộbiến đổi giảm,sơ đồ điều khiển phức tạp

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn,cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo van bán dẫn công suất cao đặc biệt là IGBT,GTO Chúng không những có công suất cao mà còn có kích thước gọn nhẹ,do đó bộ nghịchlưu áp trở thành bộ biến đổi thong dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp

Vì những lí do trên mà sơ đồ nghịch lưu áp dùng các van điều khiển hoàn toàn được sử dụng phổ biến

Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án

Phương án 1: Nghịch lưu độc lập điện áp cầu 3 pha Tải có tính chất điện

- Ưu điểm: Quá trình điều khiển đơn giản tin cậy, để thực hiện đượcquá trình biến đổi từ điện áp 1 chiều thành xoay chiều 3 pha đốixứng

Sơ đồ gồm có các Thyristor công suất T1T6 và các Diode công suấtD1D6

Dùng các Thyristor phụ TP1TP6 & cá Tụ LC để khóa cá Thyristorchính

Nguồn Ed và các Thyristor Tn1Tn4 đảm bảo về biên độ, cực tính đểkhóa van chắc chắn

Các diode D7, D8 cách ly 2 nguồn Ed, Ud

- Nhược điểm: Dùng nhiều van Thyristor điều khiển quá trình chuyểnmạch gây khó khăn trong quá trình điều khiển

Phương án 3: Nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha sử dụng các van điều khiển hoàn toàn

- Sơ đồ nguyên lý

- Sơ đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điôtngược D1, D2, D3, D4, D5, D6 Tương tự như NLĐL nguồn điện ápmột pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá trình trao đổi côngsuất phản kháng giữa tải và nguồn

Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn Phụ tải Za=Zb=Zc đấu

Y hoặc ∆

Điều khiển đơn giản không phải dùng mạch LC trợ giúp chuyểnmạch giữa các van, sử dụng nhiều trong thực tế

Tuy nhiên dạng điện áp ra không có dạng sin hoàn toàn

Kết luận: Từ các phương án đã đề ra ở trên, thông qua ưu nhược điểm của

từng phương pháp đã phân tích ta chọn phương án ba: “ Nghịch lưu độc lậpnguồn áp cầu 3 pha sử dụng các van điều khiển hoàn toàn” vì tính năng điềukhiển dễ dàng, dễ cho việc thiết kế và sử dụng trong thực tế

Chương III: Thiết kế và tính toán mạch lực.

A:Thiết kế mạch lực.

3.1:Mạch chỉnh lưu.

Từ nguồn điện xoay chiều 3 pha ban đầu, ta sử dụng mạch chỉnh lưucầu 3 pha để cung cấp nguồn một chiều cần sử dụng cho mạch nghịchlưu

Lựa chọn sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển cho đơn giản

Để có được điện áp phù hợp cho đầu vào mạch nghịch lưu trước khichỉnh lưu cần sử dụng máy biến áp 3 pha để đưa điện áp nguồn về điện

áp phù hợp

Để lọc sóng hài cho điện áp bộ chỉnh lưu ta sử dụng bộ lọc điện cảm

Bộ lọc loại này chỉ dùng một điện cảm L mắc nối tiếp với tải Lọc điệncảm rất phù hợp với tải công suất lớn vì công suất càng lớn thì điện trởtải sẽ càng nhỏ và dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt là >>

3.2:Mạch nghịch lưu

Sơ đồ nghịch lưu được ghép từ 3 sơ đồ một pha có điểm trung tính Chế

như vậy ta có đồ thị thể hiện chế độ dẫn như sau

Để tạo được dạng điện áp ba pha đối xứng thì luật dẫn như hình vẽ.Như vậy:T1 và T4 lệch nhau một góc 180 độ điện,tạo ra pha A

T3 và T6 lệch nhau một góc 180 độ điện tạo ra pha B

T5 và T2 lệch nhau một góc 180 độ điện tạo ra pha C

Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:

Đồ thị điện áp các pha

Trong khoảng từ

0-3



:T1,T6,T5 dẫn,sơ đồ thay thế có dạng như hình vẽ

Từ đó ta suy ra dạng của đồ thị như hình vẽ trên

Dựa trên yêu cầu của đề ra ta chọn hệ số cos φ =0.86 Hay φ =

Theo đề bài Ut=220V,It=5A.do đó Zt=220/5=44

Từ đó ta tính được các thành phần

3.1.1:Chọn van điều khiển hoàn toàn IGBT

Điện áp ngược đặt lên van là Ung=Ed Ta chọn cách làm mát tự nhiên nênđiện áp lớn nhất đặt lên van chọn là

Dòng điện trung bình đi qua van là Itb=Im*(1+cosφ)/2π=1.5A

Với cách làm mát tự nhiên chọn van có dòng làm việc trung bình lớn nhất làIvmax= Itb/0.2=1.5/0.2=7.5A

Điện áp lớn nhất đặt lên van là Ung=

Chọn được van IRG4PH40UD có sẵn Diode trong với các thông số sau:

ICmax = 30 A UCE = 1200 V Uge=15V

UCE = 2.43 V Pdmax = 160 W

3.1.2: Tính chọn cho điot công suất:

Điện áp ngược đặt lên điot là Ung=Ed, tương tự như IGBT

Dòng điện trung bình qua van là: Itb=Im.(1-cosφ)/2π=0.12A

Sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên nên Idiodemax=0.12/0.2=0.6A

Như vậy ta có thể sử dụng luôn Diode gắn sẵn trong IGBT

Rt là điện trở của mạch tải

Như vậy giá trị của tụ C tính được như sau:

Dòng điện đi qua cuộn kháng là:

Thành phần dòng xoay chiều trong cuộn kháng thường lấy ~10%Id nên Uck=2πf.L.Ixc=2π*50*0.0224*10%*10.06= 7.08 V

3.2.2 Điện áp chỉnh lưu

Điện áp mà mạch chỉnh lưu tạo ra được là Udo=2.34

3.2.3 Tính toán các thông số chọn van:

Điện áp ngược đặt lên van là

Vậy chọn van loại 60EFS16 có các thông số sau:

Dòng điện cực đại 60A

Điện áp cực đại 1600V

Sụt áp trên van 1.07V

-Điện áp pha của máy ở phía sơ cấp là U1=220V

-Điện áp pha thứ cấp là U2=Udo+Uv+Uba

Trong đó Udo là điện áp ra của chỉnh lưu

Uv là sụt áp trên điot là 1.2V

Uba=sụt áp trên biến áp ,được tính bằng 6%Udo=0.06 475=28.5V

Như vậy ta có U2=475+2 1.2+28.5=506V

Dòng điện hiệu dụng của cuộn thứ cấp

a) Tiết diện trụ của lõi thép MBA:

Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm:

+) k = hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy k = 6

+)m : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1)

+) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều

QFe = 37.6 [cm2]

Chọn theo tiêu chuẩn d=7cm

b) Tính toán dây quấn:

- Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng



U: điện áp rơi trên cuộn dây

- Tiết diện dây:

S Cu J I (mm2)

Trong đó: I - dòng diện chạy qua cuộn dây

lấy J = 2.75

-Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được cuốnthành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện.

- Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật

Thường dùng RC mắc song song với mạch chỉnh lưu

Theo kinh nghiện nên chọn R3=470Ohm

C3=10uF

R4=1.4K

3.4.3.Bảo vệ quá áp mạch nguồn

Theo kinh nghiệm ta nên chọn R2=12.5 Ohm

C2=4uF

Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.

4.1Thiết kế mạch điều khiển.

Bộ điều khiển có nhiệm vụ cấp xung điều khiển cho các van bán dẫn, đảmbảo quá trình đóng cắt của van theo đúng yêu cầu, bảo vệ mạch công suất…Thông dụng hiện nay là các bộ điều khiển tương tự và số, kết hợp lẫn nhau

Sơ đồ khối chung bộ điều khiển nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 3 pha

Sơ đồ mạch tạo xung sử dụng vi mạch LM555 như sau.

Tỉ số thời gian xung:

4.1.2:Chia xung

Nhiệm vụ của khâu chia xung là chia tín hiệu của khâu phát xung chủđạo thành ra các kênh để điều khiển các van công suất IGBT của mạchnghịch lưu theo từng pha khác nhau Bản chất là bộ chia tần số

Theo phân tích sơ đồ mạch lực nghịch lưu ở mục A , căn cứ vào chế độdẫn của các van công suất ta dễ dàng nhận thấy để tạo hệ thống ba pha

kỳ của điện áp ra Bởi vậy ta thiết kế bộ chia tần với hệ số chia là K=6,với chức năng tạo ra điện áp 3 pha

Mô hình bộ chia tần sử dụng các Edge-triggered J-K Flip-flop như sau:

Bảng trạng thái Đồ thị xung

4.1.3:Khâu cách ly và khuyếch đại

a)Khâu cách ly

Yêu cầu của mọi thiết kế là phải có cách ly giữa mạch điều khiển vàmạch lực Việc sử dụng máy biến áp xung không những làm giảm chấtlượng xung điều khiển mà còn gây khó chuẩn hóa Ngày nay người tathường sử dụng các phần tử quang điện để nâng cao chất lượng tín hiệuđiều khiển và giảm thời gian tác dụng

Sơ đồ cách ly quang học sử dụng một optocoupler

Nguyên lý hoạt động:

làm transistor thông => C nối với đất, VC=0 qua cổng đảo ta đượcQ1’=1

- Khi Q1 ở ngưỡng điện áp thấp (Q1=0), Diode quang đóng, transistorđóng, Vc=Vcc, qua cổng đảo Q1’=0

b)Khâu khuếch đại sửa xung.

Nhiệm vụ của khâu này là điểu chỉnh độ lớn điện áp điều khiển đưavào cực điều khiển IGBT để đảm bảo mở khóa van chắc chắn

Sử dụng transitor và nguồn một chiều dương (+), âm (-) và các điệntrở để phân áp lúc khóa lúc mở

Khi Q1’ > 0 T1 sẽ thông điện áp trên cực G sẽ là

Ta lựa chọn giá trị R1 R2 phù hợp với điện áp cần điều khiển IGBT

4.2:TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.2.1.Mạch tạo xung vuông

Theo sơ đồ tạo xung bằng IC LM555 Vcc=5

Yêu cầu cần thiết của mạch tạo xung vuông là phảI tạo ra xung co tần

số gấp 6 lần tần số của nghịch lưu

Với tần số ra là f=50Hz ta có được fx=6x50=300Hz

f x= = =300Hz

Nguồn nuôi là 5V

a)Bộ phân phối

Tín hiệu từ mạch phát xung được đưa vào 3 JK-FF sẽ tạo được hệthống 6 tín hiệu lệch nhu góc 60 độ điện

Chọn loại JK-FF có điện áp mức logíc 1 là 5V ta chọn được SN74109Mức 0 là 0V,sau khi ra khỏi mạch điện áp thu được là 4,5V

b)Khâu cách ly

Chọn những Phototransistor Optocouplers CNY17X có Vcc=5V

Dòng qua diode quang IF và phototransistor cỡ 16-30mA chọn

Rv=RL=5/0.02=250

Sử dụng SN7404 làm inverter Vcc=5V Các thông số quan trọng để hoạt độngđúng logic như Vih(min)=2V, Ioh=-0.4mA rất phù hợp để kết nối với dòng phototransistor Optocoupler CNY17X

c)Khâu khuyếch đại

Cần chọn Transistor npn sao cho điện áp điều khiển Vge<5V, R1 =1k, R2=4kThoả mãn VgH=15V, VgL=-5V

Bảng trị số các phần tử và linh kiện tính toán được

STT Tên linh kiện Số

Idiode =8AUdiode(breakdown) min = 1200V

Ungmax 1600V1.07VIr=100uA

U2dm=506V, I2dm=8.21A

Vcc=5V, Vih min = 2, Vil min = 0.8Ioh max = -0.4mA, Iol max = 16mA

CHƯƠNG 5:MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

5.1.Mô phỏng mạch điều khiển:

Có chu kì là f=300Hz

5.2.Mô phỏng mạch lực

Kết quả thu được:

Điện áp ra: 220V

Dòng điện ra: 5 A

Tần số ra 50hz

Nhận xét:

- Giá trị của các thông số tương đối chính xác

- Tuy nhiên dạng sóng của dòng điện và điện áp chưa sin

KẾT LUẬN

Sau một khoảng thời gian thực hiện cùng với hướng dẫn nhiệt tình của thầygiáo Trần Trọng Minh và các thầy giáo trong bộ môn Tự Động Hoá Xí

Nghiệp Công Nghiệp, em đã hoàn thành đồ án môn học Điện Tử Công Suất

với đề tài “Thiết kế bộ nghịch lưu điện áp với tần số ra không đổi “ và đạt

được một số kết quả sau :

hiểu được tầm quan trọng của nó trong thực tế sản xuất công nghiệp

4

Trong quá trình làm đồ án do không được tiếp xúc với các mạch điệnthật và chưa có kinh nghiệm nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu

sót Em kính mong các thầy giáo góp ý và sửa chữa bổ sung để hoàn thiện

đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Trần

Trọng Minh và các thầy giáo trong bộ môn đã tận tình giúp đỡ em hoàn

thành đồ án này

Sinh viên:Nguyễn Bình Thủy

Tài liệu tham khảo :

• Điện tử công suất - Võ Minh Chính

• Giáo trình điện tử công suất - Trần Trọng Minh

• Phân tích và giải mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải

-Dương Văn Nghi

• Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải