Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa Thực tiễn ngành hàng không Việt Nam • Nhu cầu lại vận chuyển lớn không ngừng phát triển, thời điểm hàng không loại vận tải hiệu an tồn • Hàng khơng qn ưu tiên hàng đầu quốc gia • Việt Nam sở hữu số lượng máy bay lớn phần lớn số máy bay tuổi thọ cao cần bảo trì vào bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo an toàn bay Nhu cầu cung cấp nguồn cho máy bay sân đỗ Hiểu tính cấp thiết, ứng dụng mạch nghịch lưu để cung cấp nguồn cho máy bay sân đỗ nhóm chúng em thực đề tài “Thiết kế nguồn nghịch lưu 400 Hz cho máy bay”
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP *** BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI THIẾT KẾ NGUỒN NGHỊCH LƯU 400HZ CHO MÁY BAY Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Kiên Trung Sinh viên thực : Nguyễn Thị Phương Hạnh MSSV : 20166062 Lớp : CN ĐK & TĐH 01 K61 HÀ NỘI – 6/2019 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa Thực tiễn ngành hàng không Việt Nam • Nhu cầu lại vận chuyển lớn không ngừng phát triển, thời điểm hàng không loại vận tải hiệu an tồn • Hàng khơng qn ưu tiên hàng đầu quốc gia • Việt Nam sở hữu số lượng máy bay lớn phần lớn số máy bay tuổi thọ cao cần bảo trì vào bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo an toàn bay Nhu cầu cung cấp nguồn cho máy bay sân đỗ Hiểu tính cấp thiết, ứng dụng mạch nghịch lưu để cung cấp nguồn cho máy bay sân đỗ nhóm chúng em thực đề tài “Thiết kế nguồn nghịch lưu 400 Hz cho máy bay” Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Nguyễn Kiên Trung với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo đề tài hoàn thiện CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NGUỒN PHỤ MẶT ĐẤT CHO MÁY BAY (GPU) 1.1 Nguồn phụ mặt đất cho máy bay (gpu) Khi đậu mặt đất máy bay sử dụng bình thường 50Hz (hoặc 60Hz Mỹ) mà cần nguồn điện với tần số 400Hz Do sân bay cần thiết bị chuyên dụng hỗ trợ mặt đất gọi đơn vị nguồn mặt đất - GPU (Ground Power Unit) thiết bị cung cấp lượng phép máy bay hoạt động mặt đất GPU kích thước nhỏ gọn tương đương biến tần cố định vào giàn cầu tải hành khách treo bên đường đơn giản cố định vào vị trí thuận tiện gần máy bay Hình 1.Nguồn phụ GPU Chức • • • Cung cấp lượng máy bay đậu mặt đất động không hoạt động Cung cấp lượng cho quy trình sàng lọc bảo dưỡng máy (các hệ thống điện tử thủy lực máy bay) Hỗ trợ khởi động máy bay Thông số kỹ thuật cho GPU tiêu chuẩn Bảng 1.Thống số tiêu chuẩn GPU Thông số điện áp đầu Điện áp Có cosφ=0.8 Tần số 200V 115V Dạng song điện áp 400Hz ±0.01% Độ méo song hài (với tải tuyến tính ) Sin chuẩn Dải ổn định điện áp 3% Điện áp độ tải thay đổi ±1% Thời gian phục hồi ±8% Khả chịu tải 10 phút 1.25 lần đầy tải Khả chịu tải phút 1.5 lần đầy tải Thơng số hệ thống Kích thước (rộng×sâcao) 600×800×1200 mm Cân nặng 100 kg Hiệu suất >93% Độ ồn 0, sau vào cực G điện áp điều khiển Uge>0 với giá trị đủ lớn Khi hình thành kênh dẫn với hạt điện từ giống MOSFET hạt điện tử di chuyển phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nên dịng Colector Thời gian đóng cắt IGBT nhanh transistor thường, trễ mở khoảng 0,15ms, trễ khóa khoảng 1ms Cơng suất điều khiển IGBT nhỏ thường mở dạng điện áp điều khiển +-15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V, khóa cấp tín hiệu -15V 2.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) Vùng làm việc an toàn thể dạng đồ thị quan hệ điện áp giá trị dòng điện lớn mà phần tử hoạt động chế độ dẫn khóa nhu q trình đóng cắt Khi điện áp đặt lên cực điều khiển emitor dương hình thư hai điện áp âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dịng điện điện áp lớn Điều có nghĩa chu kì đóng cắt ngắn, ứng với tần số làm việc cao khả đóng cắt cơng suất suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển emitor, SOA lại bị giới hạn vùng công suất lớn tốc độ tăng điện áp lớn dẫn đến xuất dòng điện lớn đưa vào vùng p cực điều khiển, tác dụng giống dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại tác dụng cấu trúc thyristor Tuy nhiên khả chịu đựng tốc độ tăng áp IGBT lớn nhiều so với phần tử bán dẫn công suất khác Giá trị lớn dòng cho phép collector cho phép Icm chọn cho tránh tượng chốt giữ dịng, khơng khóa lại được, giống thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn Uge phài chọn để giới hạn dòng điện Ice giới hạn lớn cho phép điều kiện có ngắn mạch cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi dịng Ice giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc Tiếp theo IGBT phải khóa lại điều kiện đó, nhanh tốt để tránh phát nhiệt mạnh Tránh tượng chốt giữ dòng cách liên tục theo dõi dòng collector điều cần thiết thiết kế IGBT 2.3 Ngịch lưu nguồn áp pha 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý Nghịch lưu nguồn áp thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tùy ý 10 Hình 2.Nghịch lưu áp cầu pha Trong đó: • T1, T2, T3, T4: Là IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều tải • Zt: phụ tải • D1, D2, D3, D4: Là diode dẫn dịng tải trả cơng suất phản kháng tải lưới • it: dịng nguồn xoay chiều dạng cưa - Khi >0 nguồn cung cấp lượng cho tải ( thyristor dẫn dịng) - Khi > Ts dòng điện uốn theo dạng tín hiệu m(t) Các số đánh giá hiệu PWM • Hệ số điều chế, tỷ số biên độ sóng điều chế m(t)so với biên độ sóng cưa Với Urm: Biên độ song mang Ucm: Biên độ sóng rang cưa • Hệ số méo tổng: o THD tỷ số tổng giá trị hiệu dụng thành phần sóng hài bậc cao so với giá trị hiệu dụng sóng mong muốn 16 • Hệ số tần số: kf = fs/f1, tỷ số tần số sóng mang so với tần số sóng mong muốn o Thơng thường để có hệ số méo tổng THD phạm vi cho phép cần có kf ≥ 20 Với công suất lớn fs cỡ –4 kHz, dải cơng suất nhỏ thường phải chọn fs từ 10 - 20 kHz o Điều để đảm bảo độ đập mạch dịng phạm vi cho phép với dịng nhỏ điện cảm Ls phải lớn Tuy nhiên Lslớn sụt áp tần số lớn Để thỏa hiệp, phải chọn fs lớn 17 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA 3.1 Tính tốn thiết kế, chọn IGBT Yêu cầu toán Uom=115.=163(V); f1 =400Hz; Iom=110.=156(A); cos P0=U.I.cos()=10.1kW • Điện áp chiều yêu cầu: UDC - Để dự phòng ta chọn điện áp chiều thay đổi phạm vi +/- 10% UDC=Uom/0,9=181(V) - Trong mạch thường có mạch lọc LC để tạo điện áp hình sin Dự phịng sụt áp cuộn cảm lọc Ls cỡ 10% UDC =1,1.181=200(V) • Biên độ dịng đầu u cầu Iom=110=156(A) • • Tần số đóng cắt - Với cơng suất nhỏ ta chọn tần số đóng cắt fs =20 kHz, Ts =0,5.10-4 Tính tốn dịng trung bình qua van Diot - Dịng trung bình qua van: 44,7(A) - Dịng trung bình qua Diot: =5(A) • Xác định giá trị điện cảm Ls - Lấy sụt áp tần số 10% U0 ULS=I0.XLs=0,1U0=0,1.115=11.5(V) ⇒ XLs=0,104(Ω) ⇒ Ls=0.0416(mH) chọn L=120(µH) cho độ đập mạch