Tính toán thông số kĩ thuật bộ nghịch lưu nguồn áp DC AC (inverter)

HOMEWORK REPORT Subject : Power Electronics Tính Tốn Thơng Số Kĩ Thuật Bộ Nghịch Lưu Nguồn Áp DC-AC (Inverter) Giảng viên hướng dẫn : Thầy Vũ Hoàng Phương Sinh viên thực : Lê Văn Công ID : 20173694 Vũ Văn Hoan ID : 20173890 12/11/2019 ĐỀ BÀI • Hãy tính tốn sơ đồ nghịch lưu nguồn áp pha dạng cầu H điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (điều chế đơn cực với thông số sau : a Giá trị điện áp hình sin mong muốn U0 = 220 VAC tần số sóng f1 = 50 Hz b Công suất đầu P = 1000 W,hệ số công suất tải trở cảm Cos𝜑 = 0,85 c Tần số cắt PWM fs = kHz d Dự phịng điện áp chiều cung cấp UDC dao động phạm vi +/- 10% Cho phép sụt áp tần số sóng cuộn cảm mạch lọc LC không lớn 10% điện áp đầu định mức U0 Hãy xác định : Điện áp chiều yêu cầu : UDC (V) Tính tốn biên độ dịng đầu u cầu : I0m Tính tốn dịng trung binh qua van Diode :IV, ID (A) Xác định dòng đỉnh lớn qua van IGBT Diode Điện áp ngược lớn qua van IGBT Diode Xác định mạch mạch lọc LC phía xoay chiều đảm bảo tần số cắt mạch lọc 𝑓LC = 0,1 𝑓S Tính tốn giá trị tụ lọc C phía chiều để đảm bảo độ đập mạch ∆UC = 5% UDC Kiểm chứng phần mềm mô PSIM 12/11/2019 Sơ đồ mạch lực 12/11/2019 Tính tốn chuẩn hóa mạch lực Xác định điện áp đầu vào chiều UDC • Với PWM dải làm việc tuyến tính,m ≤ 1,giá trị biên độ điện áp đầu đạt lớn UDC ,khi tần số đóng cắt fs coi vơ lớn • Để dự phòng điện áp chiều thay đổi phạm vi +/-10%,cần chọn mmax =0,9 • Biên độ điện áp đầu yêu cầu bằng: U0m = 2U0 = 220 = 311 V • Vậy: UDC = U0m/0,9 = 311/0,9 = 346 V • Do mạch lọc LC,thành phần điện cảm L có sụt áp tần số sóng cho phép khơng lớn 10% điện áp đầu định mức U0,nên ta phải chọn: UDC = 1,1.346 = 380 V 12/11/2019 Tính tốn chuẩn hóa mạch lực Tính tốn biên độ dịng đầu u cầu: I0m (A) • Cơng suất toàn phần tải S0 = P0/cos𝜑 = 1000/0,85 = 1176 VA • Dịng tải u cầu: I0 = S0/U0 = 1176/220 = 5,35 A • Biên độ dịng tải I0m = I0 = 5,35 = 7,57 A • Tần số đóng cắt PWM fs = kHz ( Tần số khâu phát xung cưa ) • Chu kì đóng cắt PWM Ts = 1/fs = 1/(5.103) = 2.10-4 (s) Tính tốn dịng trung bình qua van IGBT Diode : IV, ID (A) • Dịng trung bình qua van IGBT : IV = 𝜋 ‫𝐼 ׬‬ 2𝜋 𝜑 0m sin(𝜃 − 𝜑)d𝜃 = 1+𝑐𝑜𝑠𝜑 I0m 2𝜋 IV = 2,23 A • Dịng trung bình qua Diode : ID = 𝜑 𝐼 ‫׬‬ 2𝜋 0m sin(𝜃 − 𝜑)d𝜃 = 1−𝑐𝑜𝑠𝜑 I0m 2𝜋 ID = 0,18 A 12/11/2019 Tính tốn chuẩn hóa mạch lực Xác định dòng đỉnh qua van IGBT Diode : • Dịng tải thể giá trị trung bình dịng đầu nghịch lưu chu kỳ cắt mẫu Vì trước hết ta cần xác định độ đập mạch lớn dịng I0(t) • Bỏ qua ảnh hưởng Rs với độ đập mạch dịng tải ta có : LS = di(t) 𝑑𝑡 ≅ ∆u0t • Trong nghịch lưu nguồn áp PWM ∆ u0(t) = UDC Dịng điện có hệ số đập mạch lớn hệ số lấp đầy xung (Duty ratio) d = 0,5 Do : ∆ I0max ≈ 12/11/2019 𝑇𝑠 ∆𝑈0𝑚𝑎𝑥 𝐿𝑠 ≈ UDC.Ts / 2Ls Tính tốn chuẩn hóa mạch lực • Xác định giá trị điện cảm Ls • Do sụt áp tần số 10% U0 (Theo đề bài) ULs = I0.XLs = 0,1 U0 = 0,1.220 = 22 V 22 XLs = 5,35 = 4,11 Ω Ls = 13 mH • Độ đập mạch dịng tải lớn : ∆I0max = 380.2.10−4 2.13.10−3 = 2,92 A • So với biên độ dịng điện độ đập mạch : ∆I0max I0max = 2,92 7,57 = 38,6 % • Giá trị có lớn chấp nhận 12/11/2019 Tính tốn chuẩn hóa mạch lực Xác định mạch mạch lọc LC phía xoay chiều đảm bảo tần số cắt mạch lọc 𝑓LC = 0,1 𝑓S • Trong nghịch lưu PWM điện áp chủ yếu sóng bản.Các thành phần sóng hài bậc cao xuất xung quanh tần số đóng cắt f s, cụ thể h.fs +/- 1.f1 ,trong h = 1,2,… Những tần số sóng hài thấp fs - f1,fs -2f1,…Tuy nhiên fs ≫ f1 nên sóng hài tập trung chủ yếu quanh fs,nghĩa xa so với f1 Điều đơn giản việc tính tốn mạch lọc LC đầu nghịch lưu nhiều • Chọn tần số cắt mạch lọc tần số thấp LC cho dải băng thông mạch lọc nhỏ nhiều tần số đóng cắt,nghĩa phần lớn sóng hài gần tần số đóng cắt bị loại bỏ: 𝜔LC = ≪ 𝜔S = 2𝜋fs 𝐿𝐶 • Không cần để ý đến điều kiện tránh cộng hưởng sóng hài có điện áp • Chọn tần số cắt mạch lọc LC thấp 10 lần so với tần số đóng cắt PWM: 𝜔LC = 0,1 𝜔S → 𝜔LC = 3141,6 (rad/s) Vậy : 1 𝐿 (𝜔LC C= ) 12/11/2019 = 13.10−3 3141,62 = 7,8 (𝜇F) Tính tốn chuẩn hóa mạch lực • Tuy nhiên điều kiện mà tụ C phải đảm bảo,đó để đảm bảo tần số đóng cắt 𝜔LC giá trị tụ phải chọn lớn để bù vào hết cơng suất phản kháng tải • Công suất phản khán tải : QL = 𝑆𝑜 − 𝑃𝑜 = 11762 − 10002 = 619 Var • Nếu bù tụ C phải có QC = QL Cơng suất tụ tính : QC = 𝑈𝑐 𝑋𝑐 = 𝜔CUc2 • Từ tính giá trị cần thiết : C = 𝑄𝑐 𝜔𝑈𝑐 = 619 2𝜋.50.2202 = 40,7 𝜇F • So với giá trị tụ C tính mục trước để phù hợp với tụ điện có sẵn ngồi thị trường,ta chọn tụ điện có giá trị điện dung 47 𝜇F Cần kiểm tra lại điều kiện tần số XC ≫ XL : • Đây điều kiện không tạo phân áp XC XL ,không thể đạt điện áp 220V đầu XL = 2𝜋.50.13.10−3 = 4,08 Ω XC = 1/(2𝜋.50.47.10−6 ) = 67,73 Ω 12/11/2019 Các số liệu tính tốn cho thấy dễ dàng nhận XC ≫ XL Tính tốn chuẩn hóa mạch lực Tính tốn tụ C mạch chiều • Tụ C mạch chiều đóng vai trị tụ lọc mạch chỉnh lưu phía trước,vừa đóng vai trị tiếp nhận công suất phẩn kháng từ mạch nghịch lưu Diode đưa ngược về.Vậy giá trị tụ giá trị cần lớn • Trường hợp nặng nề dòng tải giá trị biên độ,hệ số d = 0,5 (tương ứng với tải cảm,điện áp điều chế qua 0),khi : ∆UC = ∆𝑡𝑥 ∆IC ; ∆tx 𝐶 = TS /2; ∆IC = I0max • Đề yêu cầu đảm bảo độ đập mạch ∆UC = 5% UDC Từ ta tính : C= ∆Ic 2𝑓𝑠∆Uc = 7,57 2.5.103 0,05.380 ≈ 40 10−6 = 40 𝜇F • Tụ C tính có giá trị nhỏ,chứng tỏ ưu việt PWM Trong trường hợp tụ chiều C xác định chủ yếu từ điều kiện san điện áp đầu chỉnh lưu 12/11/2019 10 Mô kiểm chứng kết PSIM 12/11/2019 11 Mô kiểm chứng kết PSIM 12/11/2019 12 Mô kiểm chứng kết PSIM 12/11/2019 13 Mô kiểm chứng kết PSIM 12/11/2019 14 Mô phần mềm PSIM 12/11/2019 15 Mô kiểm chứng kết PSIM 12/11/2019 16 Mô PSIM 12/11/2019 17 Kiểm chứng lại kết Đại lượng Kết lý thuyết Kết mô Sai số (%) Điện áp sau nghịch lưu (V) 220 220,7 0,3 Dòng đầu sau nghịch lưu (V) 5,35 5,32 0,6 1000 991 0,9 Cơng suất tồn phần (Var) 1176 1174 0,2 Dịng trung binh qua van (A) 2,41 2,33 3,3 Cơng suất đầu (W) Nhận xét: - Sai số kết lý thuyết kết mô nhỏ - Dạng đồ thị điện áp dòng điện gần đạt hình sin mong muốn Giải thích : - Vẫn tồn sai số so với lý thuyết giá trị tính tốn lấy xấp xỉ giá trị tụ C chọn gần với tinh toán -Lựa chọn L C mang tinh tương đối khơng thể đạt điện áp hình sin tuyệt đối -Sự dụng phương pháp PWM với tần số đóng cắt không cao 5khz 12/11/2019 18 Thanks for watching 12/11/2019 19 ... mong muốn U0 = 220 VAC tần số sóng f1 = 50 Hz b Công suất đầu P = 1000 W,hệ số công suất tải trở cảm Cos