Đồ Án Nghịch Lưu cầu 1 pha

MỤC LỤC CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ 1.1 Khái quát chung .9 1.2 Cấu tạo 10 1.2.1 Stator .10 1.2.2 Rotor .10 1.3 Nguyên lý làm việc 11 1.4 Phương trình sơ đồ thay 14 1.4.1 Các phương trình tốn học mơ tả động khơng đồng pha 14 1.4.2 Phương trình thay 16 1.5 Phân loại động không đồng pha 18 1.5.1 Split-phase Motor-Động chia pha .18 1.5.2 Động dùng tụ điện 20 1.5.3 Động dùng vòng ngắn mạch .21 1.6 Điều khiển tốc độ động không đồng pha 22 CHƯƠNG GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS .23 2.1 Giới thiệu biến đổi điện tử công suất 23 2.1.1 Khái niệm, phân loại Nghịch lưu độc lập (NLĐL) 23 2.1.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha 24 2.1.3 Nghịch lưu nguồn áp cầu pha .27 2.1.4 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 31 2.2 Lựa chọn phương án tối ưu 34 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 35 3.1 Phân tích chức phần tử mạch 35 3.2 Lựa chọn van 35 3.3 Chọn thông số mạch lọc đầu 36 3.4 Chọn mạch bảo vệ cho van 37 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHIỂN 39 4.1 Tổng quan phương pháp điều chế PWM 39 4.1.1 Nguyên lý hoạt động nghịch lưu PWM 39 4.1.2 Sin hoá PWM 41 4.1.3 Nguyên tắc hoạt động nghịch lưu cầu điều biến độ rộng xung đơn cực 42 4.1.4 Mơ hình mơ nghịch lưu PWM 47 4.2 Cấu trúc tổng quan mạch điều khiển theo phương pháp PWM .49 4.3 Tính toán sơ đồ mạch điều khiển 50 4.3.1 Khâu tạo dao động 50 4.3.2 Tính tốn mạch tạo xung đồng 50 4.3.3 Tính tốn xung tam giác cực tính 51 4.3.4 Khâu tạo trễ mở .52 4.3.5 Khâu khuếch đại xung: 53 4.4 Mạch cách ly 55 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 57 5.1 Sơ đồ mô .57 5.2 Kết mô 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Động không đồng pha [6] Hình 1.2Cấu tạo động không đồng pha [7] 10 Hình 1.3: Dây quấn dây quấn phụ stator 10 Hình 1.4: Rotor Stator động không đồng pha có cấu tạo gần giống động pha 11 Hình 1.5: Nguyên tắc tạo từ trường quay động khơng đồng pha.11 Hình 1.6: Nguyên lý làm việc 11 Hình 1.7: Phân tích stđ đập mạch thành hai stđ quay 13 Hình 1.8: Đồ thị momen 14 Hình 1.9: Động hai pha chế độ không đối xứng 14 Hình 1.10: Đồ thị vector 15 Hình 1.11: Mạch điện thay động không đồng pha .16 Hình 1.12: Mạch điện thay gần 16 Hình 1.13: Mạch điện gần với tổng trở thứ tự thuận ZT thứ tự ngược ZN 17 Hình 1.14: Động không đồng dùng cuộn dây phụ 18 Hình 1.15: Đồ thị vector 19 Hình 1.16: Đặc tính động chia pha 19 Hình 1.17: Động khởi động dùng tụ điện 20 Hình 1.18: Đồ thị vector 20 Hình 1.19: Đặc tính động dùng tụ điện 21 Hình 1.20: Động dùng hai tụ điện 21 Hình 1.21: Động dùng vịng ngắn mạch .22 Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp nửa cầu 24 Hình 2.2: Dạng xung điện áp, dịng điện sơ đồ nửa cầu 25 Hình 2.3: Nghich lưu nguồn áp cầu pha .27 Hình 2.4: Dạng điện áp, dòng điện phần tử NLĐL nguồn áp pha 29 Hình 2.5: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 31 Hình 2.6: Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với khoảng dẫn van (a) V1, V6, V5 dẫn; (b) V1, V6, V2 dẫn; (c) V1, V2, V3 dẫn .32 Hình 2.7: Điện áp pha A .32 Hình 2.8: Điện áp pha B .32 Hình 2.9: Điện áp Uab 32 Hình 2.10: Điện áp Uac 33 Hình 2.11: Điện áp Ubc 33 Hình 2.12: Sơ đồ phương án mạch lực lựa chọn .34 Hình 3.1: Mạch lọc đầu .36 Hình 3.2: Mạch RC bảo vệ áp van 37 Hình 4.1: Điện áp nghịch lưu PWM đơn cực 39 Hình 4.2: Đồ thị xác định thời điểm kích mở van 40 Hình 4.3: Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh 40 Hình 4.4: Mơ tả dạng sóng điều biên sóng tam giác 43 Hình 4.5: : Sơ đồ cầu nghịch lưu H 43 Hình 4.6: Áp tải (Vtai=Va -Vb) với ma=0 44 Hình 4.7: Áp tải (Vtải= Va –Vb) ma=0.5 44 Hình 4.8: Áp tải (Vtai=Va-Vb) ma=1.5 .45 Hình 4.9: Trị hiệu thành phần điện áp thay đổi hệ số điều chế ma 46 Hình 4.10: Mơ hình điều chế đơn cực .47 Hình 4.11: Tín hiệu điều chế 47 Hình 4.12: Phương pháp điều chế lưỡng cực 47 Hình 4.13:Mơ hình điều chế lưỡng cực 48 Hình 4.14: Tín hiệu điều chế 48 Hình 4.15: Điện áp đầu .48 Hình 4.16: Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp 49 Hình 4.17: Nghịch lưu độc lập điện áp pha điều khiển kiểu SPWM 49 Hình 4.18: Sơ đồ cầu Wien .50 Hình 4.19: Sơ đồ xung đồng 51 Hình 4.20: sơ đồ tạo xung cưa cực tính 52 Hình 4.21: Khâu tạo trễ mở .52 Hình 4.22: Sơ đồ chân IR2110 54 Hình 4.23: Sơ đồ khối IC IR2110 54 Hình 4.24: Sơ đồ chân HCPL-2630 56 Hình 5.1: Sơ đồ mô 57 Hình 5.2: Đồ thị điện áp đầu .58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông tin hệ thống .35 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật van IGBT 36 Bảng 3.3: Bảng liệt kê thiết bị mạch lực 38 Bảng 4.1: Hệ số điện áp hiệu dụng sóng hài với hệ số m a khác 45 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ 1.1 Khái qt chung Động khơng đồng hay cịn gọi động dị bộ, ứng dụng rộng rãi công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình Chiếm tỉ lệ lớn so với động khác, nhờ ưu điểm :  Động không đồng có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo,vận hành an toàn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa  Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn thiết bị biến đổi  Được khai thác hết tiềm nhờ phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất kỹ thuật điện tử Dựa theo nguyên tắc động không đồng ba pha, người ta chế tạo động không đồng pha Stato loại động gồm hai cuộn dây đặt lệch góc, dây nối thẳng với mạng điện, dây nối với mạng điện qua tụ điện Cách mắc làm cho hai dòng điện hai cuộn dây lệch pha tạo từ trường quay Động không đồng pha đạt cơng suất nhỏ, chủ yếu dùng dụng cụ gia đình quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước… Hình 1.1: Động khơng đồng pha [6] 1.2 Cấu tạo Động pha cấu tạo gồm phận stator rotor Hình 1.2Cấu tạo động khơng đồng pha [7] 1.2.1 Stator Phần tĩnh gồm: mạch từ, dây quấn, vỏ máy Mạch từ có cấu tạo giống stator động pha dây quấn stator gồm dây quấn dây quấn phụ có kết cấu thường khơng giống đặt lệch góc 900 Hình 1.3: Dây quấn dây quấn phụ stator 1.2.2 Rotor Roto động không đồng pha thường dùng la roto lồng sóc Ngồi hai phần trên, cịn có bơ phận khởi động tụ điện, ngắt điện ly tâm hay rơle dòng điện rơle điện áp, … Hình 1.4: Rotor Stator động khơng đồng pha có cấu tạo gần giống động pha 1.3 Nguyên lý làm việc Hình 1.5: Nguyên tắc tạo từ trường quay động khơng đồng pha Nếu có cuộn dây nối vào pha có từ trường xoay chiều sau Hình 1.6: Nguyên lý làm việc Xét từ trường dịng điện hình sin i  I m sin t dây quấn stator động khơng đồng ộ pha có dây quấn pha Dòng điện xoay chiều chạy dây quấn stator sinh từ trường xoay chiều, đường sức từ trường xác định theo quy tắc vặn nút chai Xét thời điểm: r r r B  BT  thuan   BN  nghich (1.1) T r dòng điện đạt cực đại dương i=Im, cảm ứng B đạt cực đại, giả  Tại r r B B sử đường sức có chiều từ xuống T N phương, t1  r r r B BT  BN  chiều, độ lớn: T T r  t2  B  Tại ,dòng điện dương, cảm ứng có chiều r r B B độ lớn bé hơn, T N lệch góc α T r r t3  B B , i=0, B=0 T N phương, ngược chiều, độ  Tại lớn T 3T r  t4  B  Tại , i Vậy = Nếu chọn R1 = R2 = R C1 = C2 = C Av = Khi Av < 3: mạch không dao động Khi Av >>3: mạch dễ dao động tín hiệu bị biến dạng (Đỉnh dương đỉnh âm tín hiệu bị cắt.) Vì vậy, để mạch dao động tốt, khởi động mạch, ta tính tốn cho Av > để mạch dễ dao động sau giảm dần xuống gần để giảm biến dạng 4.3.2 Tính tốn mạch tạo xung đồng Ta có xung đồng 0,5ms biết tần số lưới 50Hz Chọn phân áp R2 = R3 có hệ số phân áp a = 0,5 với nguồn điều khiển E = Ubh = Vậy: Chọn tụ C = 0,1s Ta tính trị số điện trở R1: R1= Vậy chọn điện trở chuẩn R1 = 3,9k 52 Kiểm tra điều kiện xác lập đảm bảo yêu cầu Hình 4.54: Sơ đồ xung đồng 4.3.3 Tính tốn xung tam giác cực tính Chọn tần số điện áp tam giác 4kHz Nguồn E , UOA = 12V, biên độ điện áp Có điện áp đầu OA1 cực đại Um = UOA + UDZ = 12+ 0,7 = 12,7V Trong khoảng thời gian nửa chu kỳ điện áp cưa phải biến thiên giá trị lần biên độ điện áp tam giác Ung => CR1= Chọn tụ C = 22nF => R1 = Vậy chọn R1 = 20k Ta có => R3 = 0,787.R2 Chọn R2 = 10k R3 biến trở 10k 53 Hình 4.55: sơ đồ tạo xung cưa cực tính 4.3.4 Khâu tạo trễ mở Dùng phương pháp điều khiển đối xứng Đặc điểm: - Mạch khơng có khâu xác định chiều dịng quy luật điều khiển chung cho hai chiều dịng điện tải - Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông hai van thẳng hàng chúng chuyển đổi trạng thái, thực nhờ hai phần tử logic L1, L2 với nhóm R14C3D7 R15C4D8 Đồ thị minh họa hoạt động mạch này: Hình 4.56: Khâu tạo trễ mở Ở dùng tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở R để đưa tới cổng vào logic L1 loại có ngưỡng (trigơ Schmitt), thời gian trễ gần 0,7RC Khi điện áp vào tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ khơng đáng kể Thực tế thời gian trễ nằm khoảng (1,310)s tùy loại van lực tần số làm việc mạch 54 Nguồn cung cấp cho mạch phải dùng bốn cụm cách ly sơ đồ điều khiển riêng 4.3.5 Khâu khuếch đại xung: Yêu cầu điều khiển cho van IGBT Đây loại van điều khiển điện áp khơng phải dịng BT: Khi dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương cực điều khiển (12V;Cịn khóa điện áp lại âm ( -5 -8)V Như trạng thái ổn định, dù khóa hay dẫn cần điện áp mà khơng địi hỏi có dịng điều khiển, tức công suất điều khiển trạng thái không đáng kể Tuy nhiên để van chuyển đổi trạng thái từ khóa sang dẫn ngược lại từ dẫn sang khóa, buộc phải cấp dịng cho cực điều khiển van Điều hai cực GE tồn điện dung hay tụ điện hai cực dẫn đến:  Khi van trạng thái khóa điện áp điều khiển âm nên tụ điện có giá trị âm.để mở van điện áp điều khiển buộc phải đổi dấu chuyển từu âm sang dương cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính tụ điện  Điều tương tự xảy van chuyển từ dẫn sang khóa  Để hạn chế dịng phóng nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển điện trở hạn chế Ron, Roff  Giá trị điện trở định tốc độ chuyển trạng thái van buộc phải có để đảm bảo an tồn cho van nhà sản xuất thường cho dẫn vầ giá trị điện trở loại chế tạo, nhiên giá trị cụ thể chế độ hoạt động ảnh hưởng Do tính ưu việt IGBT nên ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử cơng suất Cũng hãng chế tạo nhiều mạch điều khiển (Driver) cho van Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối driver Tuy nhiên, thời gian khóa IGBT bị kéo dài tải bị kéo khỏi chế dộ bão hịa, tổn thất phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử vật, driver cho IGBT thường mạch lái(hybrid)- tức driver thường kết hợp 55 mạch bảo vệ tải Đặc biệt, driver cho IGBT công nghiệp mạch ghép phức tạp để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn chế độ làm việc IGBT sử dụng mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ đến hang chục nghìn KHz Sự cố thường xảy q dịng ngắn mạch từ phía tải từ phía phần tử đóng cắt Vì vậy, để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110 Hình 4.57: Sơ đồ chân IR2110 Chân 1: Cổng điều khiển cho mức thấp Chân 2: Phản hồi mức thấp Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V Chân 5: Điện áp treo trả mức cao Chân 6: Điện áp treo mức cao Chân 7: Cổng điều khiển cho mức cao Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20 Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển mức cao Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển mức thấp Chân 13: Chân cấp mass cho IC 56 Hình 4.58: Sơ đồ khối IC IR2110 Hai nguyên tắc lắp ráp cần đảm bảo là:  Dây nối IGBT phải ngắn với tiết diện dây lớn, thực tế cho thấy điện cảm dây dẫn gây nên tượng đột biến áp khóa van  Dây nối cho IGBT phải nối riêng, dây đất, tức không dùng chung với phần mạch khác để tránh ảnh hưởng lẫn đường đất chung Các mạch Driver đơn giản thường làm nhiệm vụ truyền cách ly khuếch đại công suất xung Tuy nhiên để van hoạt động an toàn trường hợp, kể tượng tải hay ngắn mạch cần phải có thêm khâu bảo vệ cho thân van Để đáp ứng điều công nghiệp chế tạo mạch Driver Quan trọng mạch chống dòng, van trạng thái dẫn mà dịng qua van lớn tính tốn làm transitor khỏ bão hào làm đến điện áp van tăng lên Như vậy, có khâu theo dõi điện áp UCE bóng phát van phải dẫn mà UCE tăng mức ngưỡng qui định tác động để khóa IGBT lại, thông báo trạng thái ngồi Các mạch Driver dùng cách ly quang đề địi hỏi phải có hai nguồn cho điều khiển phía ngồi van lực phần tử quang khơng thể truyền lượng, mạch cồng kềnh hơn, mạch lực có nhiều van phải cách ly số lượng nguồn lớn 4.4 Mạch cách ly 57 + Biến áp xung: Các mạch phát tính hiệu để điều khiển mạch cơng suất dùng bán dẫn phải cách ly điện Điều thực opto biến áp xung Gồm cuộn dây sơ cấp nhiều cuộn thứ cấp Với nhiều cuộn dây phía thứ cấp, ta kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp song song Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ đáp ứng nhanh Trong trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hịa ngõ khơng phù hợp yêu cầu điều khiển + Opto: Gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (IR - LED) mạch thu dùng phototransistor Do thõa mãn yêu cầu cách ly điện, đồng thời đáp ứng opto tốt máy biến áp xung Ta lựa chọn phương án dùng OPTO Yêu cầu đặt opto phải chịu tần số đóng ngắt cao (>5KHz) mà điện áp xung ngõ ko bị méo dạng Trong đó, HCPL-2630 optocouplers hãng fairchild có tần số đóng ngắt lên thỏa mãn u cầu Hình 4.59: Sơ đồ chân HCPL-2630 58 59 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 5.1 Sơ đồ mô V G1 G1 Q41 1K2 R7 G1 100uF G2 C6 IGBT1 IGBT2 R1 3n3 C8 R5 Vout V E V G2 It Rt A G2 C4 Q42 G3 1K2 R8 IGBT3 G4 R3 C10 IGBT4 R9 3n3 C9 V G3 G3 Q43 1K2 R11 3n3 C12 V G4 G4 Q44 1K2 R12 3n3 C13 Hình 5.60: Sơ đồ mô 60 5.2 Kết mô Tín hiệu điều khiển xung vng 1200 61 Hình 5.61: Đồ thị điện áp đầu Nhận xét: điện áp tải có dạng hình bậc thang, với lý thuyết trình bày 62 63 ... U&B1  U &11  I& 11 Z 11  I1 Z 11 / U&  U&  I& Z  I&Z / B2 21 12 12 (1. 8) 12 Trong đó:  I 11, I12 dịng điện thứ tự thuận ngược  Z 11; Z12 tổng trở thứ tự thuận ngược �/  Z m  Z 21 � Z 11  Z1... 14 Hình 1. 9: Động hai pha chế độ không đối xứng 14 Hình 1. 10: Đồ thị vector 15 Hình 1. 11: Mạch điện thay động khơng đồng pha .16 Hình 1. 12: Mạch điện thay gần 16 Hình 1. 13:... A1  jI B1; I A   jI B Giải hệ phương trình tìm được: I&B & & I&B1  I& I  jI /  11  B A I&B & & I&B  I& I  jI /  21  B A Điện áp pha: U &1  U&B  U&B1  U&B  U &11  U& 21 (1. 6) (1. 7)