Bài tập điện tử công suất

Bài Tập Điện Tử Công Suất Sinh Viên thực hiện: Phạm Văn Toàn - 20174271 Lý Ngọc Thuận - 20174249 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Đề Bài tập 5: Hãy tính tốn sơ đồ nghịch lưu nguồn áp pha dạng nửa cầu điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với thông số sau: + Giá trị điện áp hình sin mong muốn Uo = 220 VAC tần số sóng f1 = 400 Hz + Công suất đầu Po = 1000 W, hệ số công suất tải trở cảm 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,85 + Tần số đóng cắt PWM fs = 20 kHz + Dự phòng 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 Uo Hãy xác định: 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế Điện áp chiều u cầu: UDC (V) Tính tốn biên độ dịng đầu u cầu: Iom (A) Tính tốn dịng trung bình qua van điơt: IV, ID (A) Xác định dòng đỉnh lớn qua van IGBT điôt Điện áp ngược lớn qua van IGBT điôt Xác định 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 UDC = 5%UDC Kiểm chứng phần mềm mô Matlab, Plecs PSIM 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Sơ đồ mạch lực +E/2 V DC 0˚ -E/2 IGBT/ Diode1 A iv1 L A iv2 R 180˚ id1 IGBT/ Diode2 DC A A id2 A id 1/4/2021 Dạng xung điện áp, dòng điện sơ đồ nghịch lưu nửa cầu Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Xác định điện áp đầu vào Với PWM dải làm việc tuyến tính 𝑚 ≤ 1, giá trị điện áp đầu đạt giá trị lớn 𝑈𝐷𝐶 , tần số đóng cắt 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 𝑈0𝑚 = 2𝑈0 = 220 = 311𝑉 → 𝑈𝐷𝐶 Τ2 = 𝑈0𝑚 Τ0 , = 311Τ0.9 = 346𝑉 Trong mạch thường có mạch lọc LC để tạo điện áp hình sin Dự phịng sụt áp khơng q 10% điện áp đầu nên phải chọn 𝑈𝐷𝐶 = 2.1,1.346 = 760V 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Biên độ dịng đầu u cầu - Cơng suất tồn phần tải 𝑆0 = 𝑃0Τcos 𝜑 = 1000Τ0,85 = 1176𝑉𝐴 - Dòng tải yêu cầu: 𝐼0 = 𝑆0Τ𝑈0 = 1176Τ220 = 5,35𝐴 - Biên độ dòng tải𝐼0𝑚 = Với 𝑈0 =220V, ta có 𝑅0,min = 220 7,56 2𝐼0 = 5,35 = 7,56𝐴 = 29𝛺 𝑍 = 41𝛺; 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 0,85 → 𝑅 = 35𝛺; 𝐿 = 2,5𝑚𝐻 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Tính tốn dịng trung bình qua van Diode: 𝐼𝑣 , 𝐼𝐷 - Dịng trung bình qua van Dòng qua van 𝜋 𝐼𝑣 = න 𝐼0𝑚 sin(𝜃 − 𝜑)𝑑𝜃 2𝜋 𝜑 + cos𝜑 𝐼0𝑚 2𝜋 + 0.85 = 7,56 = 2,23𝐴 2𝜋 = 1/4/2021 Dịng qua Diode Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Tính tốn dịng trung bình qua van Diode: 𝐼𝑣 , 𝐼𝐷 - Dịng trung bình qua Diode Dịng qua van 𝜑 𝐼𝐷 = න 𝐼0𝑚 sin(𝜃 − 𝜑)𝑑𝜃 2𝜋 − cos𝜑 − 0.85 = 𝐼0𝑚 = 7,56 2𝜋 2𝜋 = 1,13𝐴 Dòng qua Diode 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế • Xác định dịng đỉnh lớn qua van Diode: Dịng điện có độ đập mạch lớn độ rộng xung = 50%: 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 = I0 𝛥𝑈0,max 𝐿𝑠 Mà 𝛥𝑈0,𝑚𝑎𝑥 = 2𝑈𝑑𝑐 → 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 = 2,5𝑚𝐻; 𝑈𝑑𝑐 = 760𝑉 → 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑠 𝑈𝑑𝑐 𝐿 = 𝑇𝑠 𝑈𝑑𝑐 𝑇 𝐿 𝑠 = 5.10−4 𝑠; 𝐿 = 0,5.10−4 760 2,5.10−3 → 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 ≈ 7,6𝐴 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận Phần 1: Tính tốn thiết kế Xác định dòng đỉnh lớn qua van Diode: Dòng đỉnh lớn qua van: 𝐼𝑣,max = 𝐼𝑣 + 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 = 2,23 + 7,6 = 9,43𝐴 Dòng đỉnh lớn qua diode: 𝐼𝑑,𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑑 + 𝛥𝐼0,𝑚𝑎𝑥 = 1,13 + 7,6 = 8,33𝐴 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 10 Phần 1: Tính tốn thiết kế Tính tốn mạch lọc LC Ngun lý điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu nguồn áp - Vừa điều chỉnh điện áp vừa điều chỉnh tần số - Điện áp gần giống hình sin - Có thể chỉnh lưu khơng điều khiển đầu vào nghịch lưu làm tăng hiệu sơ đồ DC 0˚ Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận L Ls R 180˚ DC 1/4/2021 IGBT/ Diode1 IGBT/ Diode2 Cs 12 Phần 1: Tính tốn thiết kế • Tính tốn mạch lọc LC Tần số cắt mạch lọc LC thấp 10 lần tần số đóng cắt 𝑓𝑠𝐿𝐶 = 0,1𝑓𝑠 = 0,1.20000 = 2000 Hz - Với 𝑅0,min =29 𝛺, ta có giá trị mạch lọc LC 𝐿𝑠 = 𝑅0,min 29 = = 2,3𝑚𝐻 2𝜋 𝑓𝑠𝐿𝐶 4000𝜋 1 𝐶𝑠 = = = 2,74𝜇𝐹 → chọ𝑛 𝑅0,min 2𝜋 𝑓𝑠𝐿𝐶 29.4000𝜋 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 𝐶𝑠 = 6𝜇𝐹 13 Phần 1: Tính tốn thiết kế • Tính tốn mạch lọc LC - Công suất phản kháng tải - 𝑄𝐿 = 𝑆02 − 𝑃02 = 11872 − 10002 = 640𝑉𝐴 - Nếu bù tụ C phải có 𝑄𝐿 = 𝑄𝐶 Ta có 𝑈𝐶2 𝑄𝐶 640 𝑄𝐶 = = 𝜔𝐶𝑈𝐶 → 𝐶 = = = 5,26𝜇𝐹 𝑋𝐶 𝜔𝑈𝐶2 800𝜋.2202 - So sánh với giá trị 𝐶𝑠 = 6𝜇𝐹 phần tính tốn bên ta thấy giá trị chọn hợp lý 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 14 Phần 1: Tính tốn thiết kế • Tính tốn giá trị tụ lọc C phía mạch chiều Để đảm bảo độ đập mạch 𝛥𝑈𝐷𝐶 = 5%𝑈𝐷𝐶 giá trị tụ C phía mạch chiều 𝛥𝑈𝐷𝐶 = 𝛥𝑡𝑥 𝑇𝑠 𝛥𝐼𝐷𝐶 ; 𝛥𝑡𝑥 = ; 𝛥𝐼𝐷𝐶 = 𝐼0,𝑚𝑎𝑥 𝐶 𝛥𝐼𝐷𝐶 7,56 →𝐶= = = 9,95𝜇𝐹 ≈ 10𝜇𝐹 2𝑓𝑠 𝛥𝑈𝐷𝐶 2.20000.0,05.380 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận 15 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Nghịch lưu nguồn áp pha – nửa cầu 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 16 Phần : Mô kiểm chứng Matlab Điện áp tải Dòng điện qua tải 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận 17 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Mạch có PWM – chưa có lọc LC 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận 18 Phần : Mô kiểm chứng Matlab Dạng điện áp tải chưa có mạch lọc LC 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 19 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Dịng tải chưa có mạch lọc LC Nhận xét: chưa có mạch lọc LC, băm xung dịng tải lớn 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 20 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Mạch có PWM- có mạch lọc LC Các thơng số: 𝐿𝑠 = 2,3𝑚𝐻 𝐶𝑠 = 6𝜇𝐹 𝑅 = 35𝛺 𝐿 = 2,5𝑚𝐻 𝐸1 = 𝐸2 = 380𝑉 PWM 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 21 Phần : Mô kiểm chứng Matlab Nhận xét: điện áp có dạng hình sin có giá trị Umax gần sát với tính tốn Điện áp tải sau có mạch lọc LC Giá trị tính tốn: 220V Giá trị mơ : 239V Sai số = Dạng điện áp tải 1/4/2021 239−220 100% 220 = 8,6% Giá trị điện áp Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận 22 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Dịng tải sau có mạch lọc LC Giá trị tính tốn: 7,56A Giá trị mô : 6,69A Sai số 7,56 − 6,9 = 100% = 8,73% 7,56 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 23 Phần : Mô kiểm chứng Matlab Dịng qua Van Diode Dịng trung bình qua Van Giá trị tính tốn:2,23A Giá trị đo được:7,59A Sai số: Dịng lớn qua Van Giá trị tính tốn: 9,33A Giá trị đo được:9,08A Sai số: 1/4/2021 Phạm Văn Tồn-Lý Ngọc Thuận 24 Phần : Mơ kiểm chứng Matlab Dòng qua Van Diode Dòng trung bình qua Diode Giá trị tính tốn: 1,13A Giá trị đo được: 2,92A Sai số: Dòng lớn qua Diode Giá trị tính tốn:4,93A Giá trị đo được: 1,24A Sai số: 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 25 Phần 3: Kết luận - Khi chưa có PWM, điện áp đầu dạng xung vng có chu kỳ - Khi có PWM, điện áp đầu bị chia nhỏ thành nhiều xung vng có độ rộng xung bé đồng thời dịng điện qua tải có dạng hình sin với đường đồ thị tập hợp xung cưa - Khi gắn thêm mạch lọc LC, điện áp đầu dạng sóng hình sin với chu kỳ = chu kỳ xung điều khiển dòng điện qua tải giảm độ nhiễu đáng kể 1/4/2021 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 26