THIẾT kế bộ NGHỊCH lưu áp một PHA

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC/220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY Sinh viên thực hiện: Nhóm 1- 18N32C Số thẻ sinh viên: …………… Nhóm HP / Lớp: 18N32C/ 18TDH1 Ngành: Kĩ thuật điều khiển tự động hóa Đà Nẵng, năm 2020 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU 1.1 Giới thiệu nghịch lưu: 1.2 Nghịch lưu áp: 1.2.1 Nghịch lưu áp pha 1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha: 1.3 Nghịch lưu áp dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 11 1.4 Nghịch lưu dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) 12 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 14 2.1 Phương pháp PWM 14 2.1.1 Khái niệm 14 2.1.2 Nguyên lý 14 2.1.3 Các cách để tạo PWM để điều khiển 15 2.1.3.1 a Tạo phương pháp so sánh 16 2.1.3.2 b Tạo xung vuông phương pháp dùng IC dao động 17 2.1.3.3 c Tạo xung vuông phần mềm 17 2.2 Phương pháp SPWM 18 2.2.1 Khái niệm 18 2.2.2 Nguyên lí 18 2.2.2.1 a SinPWM lưỡng cực 18 2.2.2.2 b SinPWM cực tính 19 2.2.3 Các thông số phương pháp SPWM 20 2.3 KẾT LUẬN 20 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH LỌC VÀ CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ 21 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 3.1 Phân tích số liệu tổng quan nghịch lưu 21 3.2 Tính tốn mạch tăng áp (DC-DC) 21 3.2.1 Cấu tạo 21 3.2.2 Nguyên lí 22 3.2.3 Tính toán, chọn linh kiện 22 3.3 Tính tốn mạch buck 23 3.3.1 Nguyên lí 23 3.3.2 Tính tốn, chọn linh kiện 24 3.4 Tính tốn mạch nghịch lưu 25 3.5 Tính tốn mạch lọc 26 3.6 Chọn thiết bị bảo vệ 27 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 29 4.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lưu (SinPWM) 29 4.1.1 Sơ đồ khối 29 4.1.2 Mạch dao động cầu Wien 29 4.1.3 Mạch tạo xung vuông 31 4.1.4 Mạch tạo xung tam giác 32 4.1.5 Khâu so sánh 33 4.2 Mạch điều khiển PWM 33 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 35 5.1 Mô mạch điều khiển 35 5.1.1 Mạch điều khiển PWM 35 5.1.2 Mạch điều khiển SPWM 35 5.1.2.1 Xung tam giác 35 5.1.2.2 Xung sin 36 5.1.2.3 Xung điều khiển 36 5.2 Mô mạch động lực 38 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 5.2.1 Mạch tăng áp DC-DC 38 5.2.2 Mạch nghịch lưu 38 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu nguồn áp pha Hình Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp pha Hình Sơ đồ nghịch lưu áp pha Hình Dạng điện áp tải 10 Hình Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng diode kẹp 11 Hình Bảng trạng thái đóng cắt van 12 Hình Dạng điện áp cấu trúc NPC Inverter 12 Hình Sơ đồ pha cấu trúc nối tầng cầu H bậc 13 Hình Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt 14 Hình 2 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt 15 Hình Đồ thị xung van điều khiển đầu 15 Hình Tạo xung vng phương pháp so sánh 16 Hình Mạch tạo xung đơn giản dung 555 17 Hình Dạng sóng SinPWM hai cực tính cực, phổ sóng hài 18 Hình Dạng sóng SinPWM cực tính, phổ sóng hài 19 Hình Sơ đồ mạch tăng áp 21 Hình Sơ đồ dịng chạy giải thích nguyên lý 22 Hình 3 Đường đặc tính dịng cuộn cảm 24 Hình Sơ đồ nguyên lí mạch buck 24 Hình Bộ lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp 26 Hình Sơ đồ khối mạch điều chế SinPWM 29 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Hình Sơ đồ cầu Wien Hệ thống hồi tiếp RC 29 Hình Sơ đồ nguyên lý tạo xung vuông 31 Hình 4 Sơ đồ ngun lí tạo xung tam giác 32 Hình Sơ đồ mạch so sánh 33 Hình Sơ đồ ngun lí tạo xung vng dùng IC555 33 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU 1.1 Giới thiệu nghịch lưu: Bộ nghịch lưu biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp chiều, nhờ khóa chuyển mạch làm thay đổi cách đấu nối đầu vào đầu cách chu kỳ tạo nên đầu xoay chiều Các nghịch lưu phân thành hai loại: - Bộ nghịch lưu áp cung cấp từ nguồn áp chiều - Bộ nghịch lưu dòng cung cấp từ nguồn dòng chiều Trong giới hạn đề tài đồ án, chúng em nghiên cứu mạch nghịch lưu áp Điện áp nghịch lưu áp tạo nên mọt sóng nửa chu kỳ gọi nghịch lưu điều khiển tồn sóng Do phát triển linh kiện bán dẫn công suất phương pháp điều khiển, người ta thường sử dụng biện pháp điều khiển độ rộng xung PWM nửa chu kỳ tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích hợp, nhờ dễ dàng lọc điện áp Vì thề để nghiên cứu thường bắt đầu với nghiên cứu với làm việc với điều khiển tồn sóng làm sở so sánh với làm việc với điều khiển độ rộng xung 1.2 Nghịch lưu áp: Nghịch lưu áp thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý, sử dụng nhiều thực tế Điện áp nghịch lưu 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 nhỏ, việc sử dụng nghịch lưu áp thyristor khiến cho hiệu suất biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày công suất van động lực IGBT, GTO, MOSFET trở nên lớn có kích thước gọn nhẹ, nghịch lưu áp trở thành biến đổi thơng dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp chúng em sử dụng van điều khiển hoàn toàn Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 1.2.1 Nghịch lưu áp pha a Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ nghịch lưu pha mơ tả hình vẽ, sơ đồ gồm van động lực chủ yếu T1, T2, T3, T4 diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng lưới tránh tượng áp đầu nguồn Tụ C mắc song song với nguồn có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào dự trữ lượng dạng điện trường - Zt: Phụ tải - Is: Dòng nguồn xoay chiều dạng cưa: Khi Is > nguồn cung cấp lượng cho tải ( thysistor dẫn dịng ) Khi Is < tải trả lượng nguồn nuôi ( diode dẫn dịng ) Hình 1 Sơ đồ ngun lí mạch nghịch lưu nguồn áp pha b Nguyên lý làm việc: Giả sử T2 T4 có dịng chạy qua ( dòng từ A đến B ) Khi t= xung mở cho T1 T3, T2 T4 khóa lại, dịng tải Is = Im khơng thể đảo chiều cách đột ngột Nó chạy theo chiều cũ theo chiều D1 đến E đến D3 đến D1 giảm dần, D1 D3 dẫn dòng khiến T1 T3 vừa mở bị khóa lại Khi = t1, i = 0, D1 D3 khóa lại, T1 T3 mở lại xung điều khiển xung điều khiển tác động cực G1, G3, dòng tải I =-Im chảy từ B A Giai đoạn t = đến T1 giai đoạn hoàn lượng Khi t = T/2 ( thời điểm t2 ) cho xung mở T2 T4, T1 T3 bị khóa lại, dịng tải chạy qua D2 D4 khiến cho T2 T4 vừa mở bị khóa lại Khi t = t3, I = Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy T2 T4 mở lại, I >0 chạy theo chiều A đến B Dòng tải I biến thiên theo quy luật hàm mũ hai giá trị Im –Im c Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch: Hình Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp pha 1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha: Sơ đồ nghịch lưu áp pha ghép từ ba sơ đồ pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc tính tốn, ta giả thiết sau: - Các van lý tưởng, nguồn có nội trở vơ nhỏ dẫn dịng theo chiều - Các van động lực T1, T2, T3, T4, T5, T6, Za = Zb = Zc Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức trả lượng nguồn tụ C đảm bảo nguồn cấp nguồn áp đồng thời tiệp nhận lượng phản kháng từ tải Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Hình Sơ đồ nghịch lưu áp pha =>Để tạo điện áp pha đối xứng, luật dẫn điện van phải tuân theo: - T1 T4 dẫn lệch 180 độ tạo pha A - T2 T5 dẫn lệch 180o tạo pha C - T3 T6 lệch 180 độ tạo pha B => Các pha lệch 120 độ + Dạng điện áp tải xác định sau: * Trong khoảng đến t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình 1.4a Từ sơ đồ thay ta thấy Uza = E/3 * Trong khoảng t1 đến t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình 1.4b Từ sơ đồ thay ta thấy Uza = E/3 * Trong khoảng từ t2 đến t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay có dạng hình 1.4c Từ sơ đồ thay ta thấy Uza = E/3 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Hình Dạng điện áp tải Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 10 U2 R P 12   I t  U  12  1A  2  R  U  12  12  P 12 P  UI t  Với  D 0,9 hiệu suất nguồn xung, ta được: Vo 12   0, 28 Vin  48  0,9 - Độ gợn sóng dịng: I L  10% I  0,1 1  0,1A - Độ gợn sóng áp: VC  10%Vo  0,1 12  1,2V (Vin  Vo ) D (48  12)  0, 28  L    5mH  f I L 20  103  0,1   I L 0,1 C    0,52  F  f  U C  20  103  1, 3.4 Tính tốn mạch nghịch lưu Theo phân tích 3.1 ta chọn ma= 0.8 (đối với mạch điều khiển SinPWM) Sóng có dạng Uout = Umax sin(100πt) Điện áp lớn sau mạch nghịch lưu U max  U DC ma  390  0.8  312V Chọn tần số chuyển mạch (đối với mạch điều khiển SinPWM) fsw= 10kHz (chọn hệ số tần mf= 200) Chọn hệ số an toàn van bán dẫn  Uv= 2x312= 624 V Công suất nghịch lưu 1000W, xem tải có R dịng qua van I P U RMS  1000  4.55 A 220 Trong điều kiện làm mát tự nhiên hệ số dự trữ dòng điện gần 4, nên dòng điện yêu cầu để chọn van  Iv =4x 4.55 =18.2 A Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 25 Với số liệu ta chọn IGBT có hiệu FGA25N120AN 1200V 40A 3.5 Tính tốn mạch lọc Hình Bộ lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp Chức lọc CLC giảm sóng hài bậc cao phía đầu Cơng suất phản kháng gây cộng hưởng tụ điện tương tác với lưới Tụ C thiết kế dựa công suất phản kháng Công suất phản kháng tụ điện hấp thụ giới hạn 5% (sự thay đổi hệ số cơng suất lớn chấp nhận lưới) công suất định mức: U L2 Q  5% S   2 f  C  U L ZC C  0, 05S 2 f  U L P 1000 0, 05  0,95 0,95    3, 46(  F ) 2 f  U L 2  50  2202 0, 05  Cuộn cảm L1 dựa độ gợn dòng tối đa cho phép (thường nằm khoảng từ 15% - 40%): Chọn I= 20%Iđm VDC VDC VDC  U   f sw  I L max f  0, S f  0,  P sw sw U 0,95 390  220   10, 2( mH ) 1000  10.10  0,  0,95 L1  Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 26 Tổng độ tự cảm (L1 + L2) chọn dựa điện áp giảm tối đa cuộn cảm: U  10%U L U L1  L2  I  X L1  L2  S  2 f ( L1  L2 )  10%U L UL 0,1U L 0,1U L 0,1 2202    14, 64(mH ) 1000 2 f  S 2 f  P 2  50  0,95 0,95  L2  4, 44mH  L1  L2  Tần số cộng hưởng:    f  res  2  10 f L  f res  0,5 f sw L1  L2 10, 2.103  4, 44.10 3   1545( Hz ) L1 L2C 2 10, 2.103  4, 44.10 3  3, 46.10 6 LCL dễ bị dao động phóng đại tần số xung quanh điểm cắt  Lắp điện trở R giảm chấn nối tiếp với tụ C R 3.6 3res  C  1   9,92()  2 f res  C  2 1545  3, 46.106 Chọn thiết bị bảo vệ Bảo vệ q dịng Thơng thường IGBT sử dụng mạch đóng cắt tần số cao, từ đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao vậy, cố phá hủy phần tử nhanh dẫn đến phá hỏng toàn thiết bị Sự cố thường xảy dòng ngắn mạch từ phía tải từ phần tử có lỗi chế tạo lắp ráp Có thể ngắt dòng IGBT cách đưa điện áp điều khiển giá trị âm Tuy nhiên tải dòng điện đưa IGBT khỏi chế độ bão hịa dẫn đến cơng suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khóa IGBT lại thời gian ngắn dòng điện lớn dấn đến tốc độ tăng dòng lớn, gây áp collector, emiter, đánh thủng phần tử Bên Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 27 cạnh sảy cố bất ngờ, ảnh hưởng nhiễu Chính ta phải tính tốn bảo vệ cho van bán dẫn sảy cố… Để bảo vệ ngắn mạch tải dịng điện dùng Aptơmat cầu chì Ngun tắc chọn thiết bị theo dòng điện với Ibv = (1,11,3) Ilv Dịng bảo vệ Aptơmat khơng vượt dòng ngắn mạch mạch lực Từ ta chọn cầu chì dể bảo vệ với: => Ibv = (1,1-1,3) * Ilv = 1,3* 4,55 = 5,915 (A) Ta chọn cầu chì Cylindrical 10X38 6A để bảo vệ dòng cho IGBT Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 28 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lưu (SinPWM) 4.1.1 Sơ đồ khối SÓNG SIN SO SÁNH XUNG TAM GIÁC Hình Sơ đồ khối mạch điều chế SinPWM 4.1.2 Mạch dao động cầu Wien Mạch dao động cầu Wien dạng dao động dịch pha, thường dùng Opamp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo Hình Sơ đồ cầu Wien Hệ thống hồi tiếp RC Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 29 Điều kiện nguyên lý hoạt động:   v2 z1   v1 z1  z2 R1  j R1C1 R1  R2   j R1C1 jC2  R1C2  ( R1C1  R2C2  R1C2 )  j ( R1R2C1C2  1) Tần số dao động: 0  1  f0  R1R2C1C2 2 R1R2C1C2 Suy ra:  R1C2  R1C1  R2C2  R1C2 C1  R2  C2 R1 Nếu chọn R1  R2  R C1  C2  C , ta có   Với Av.  (theo chuẩn Barkausen) Khi 1 f  2 RC  Av  Av  , mạch không dao động Khi Av  : mạch dễ dao động tín hiệu bị biến dạng (đỉnh dương đỉnh âm tín hiệu bị cắt) Vì vậy, khởi động mạch, ta cho để mạch dao động có hiệu Av  , sau giảm Av xuống gần Tính tốn: Ta có: f  50 Hz , ta chọn C1  C2  1 F R1  R2  3,3k Để mạch dao động, ta chọn Av   R4 3 R3 Suy ra: R4  R3 , chọn R4  100k; R3  50k Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 30 4.1.3 Mạch tạo xung vng Hình Sơ đồ ngun lý tạo xung vuông Chọn R2  R3  10k  , bão hòa: V    Vcc Khi Vo  V  , mạch chuyển trạng thái từ bão hòa âm sang dương ngược lại - Xét nửa chu kì từ [  Vcc Vcc ; ]: 2 t V 3V V   cc  cc (1  e R1C ) 2  - Tại t  T V  V   cc 2 t V V 3V  cc   cc  cc (1  e R1C ) 2 t  (1  e R1C )  t  e R1C  2  T  R1C ln Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 31 Chọn f  10kHz  T  104 (s) C  0,1 F   R1  455 4.1.4 Mạch tạo xung tam giác Hình 4 Sơ đồ nguyên lí tạo xung tam giác Vo   t V Vcc V V   A dt   cc  A t RC 2 R1C1 1 Khi t  với VA  Vcc Vcc T Vo  2  Vcc V V T   cc  A  2 R1C1  Vcc  T  Vcc R1C1  T  R1C1  R1C1  T  2,5.105  R1  1k  Chọn  C1  25nF Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 32 4.1.5 Khâu so sánh Hình Sơ đồ mạch so sánh Cấp nguồn nuôi cho OPAMP: 12V Nếu V+ > V- Vout = +VCC = +12V Nếu V+ < V- Vout = -VCC = -12V 4.2 Mạch điều khiển PWM Hình Sơ đồ ngun lí tạo xung vng dùng IC555 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 33 Ta có: D  1  Vin 48  1   0,123  0,877 Vout 390 Tn 0,877   7,13 Tx 0,123 T  ( R1  R2 )C2 ln  n  Tx  R2C2 ln R  R2 Tn    7,13 R2 Tx  R1  6,13R2 T  1   5.105 ( s) f 20.10 5 Mặt khác: T  Tn  Tx  ( R1  R2 )C2 ln  8,13R2C2 ln  5.10 C2  1 F   C1  1 F Chọn   R  9  R  55  Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 34 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 5.1 Mô mạch điều khiển 5.1.1 Mạch điều khiển PWM 5.1.2 Mạch điều khiển SPWM 5.1.2.1 Xung tam giác Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 35 5.1.2.2 Xung sin 5.1.2.3 Xung điều khiển Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 36 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 37 5.2 Mô mạch động lực 5.2.1 Mạch tăng áp DC-DC 5.2.2 Mạch nghịch lưu Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 38 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 39 ... VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU 1.1 Giới thiệu nghịch lưu: 1.2 Nghịch lưu áp: 1.2.1 Nghịch lưu áp pha 1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha: 1.3 Nghịch lưu áp dạng... dịng điện, điện áp mạch nghịch lưu áp pha 1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha: Sơ đồ nghịch lưu áp pha ghép từ ba sơ đồ pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc tính tốn, ta giả thiết sau: - Các van lý... Các nghịch lưu phân thành hai loại: - Bộ nghịch lưu áp cung cấp từ nguồn áp chiều - Bộ nghịch lưu dòng cung cấp từ nguồn dòng chiều Trong giới hạn đề tài đồ án, chúng em nghiên cứu mạch nghịch lưu