2. Tính toán thông số mạch động lực
2.4.1. Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT
Umax = 500 V
Điện áp trên lμ điện áp dây hiệu dụng của bộ nghịch l−u. Trong quá trình điều khiển ta dùng chế độ điều khiển tuyến tính nên để điện áp ra max thì hệ số điều biến biên độ khi đó đạt giá trị ma = 1,0. Ta có:
Umax = (UAB)max = 3
2 2 .1.Ud
Điện áp một chiều yêu cầu cung cấp cho đầu vμo của bộ nghịch l−u: Ud = 2 2
3 .Umax= 2 2
3 .500 = 816,49 V
Đặc điểm đóng cắt của các van bán dẫn trong chế độ nghịch l−u lμ không phải chịu điện áp ng−ợc đặt lên van, do vậy quá trình chọn van có thể chọn hệ số an toμn về áp thấp hơn khi chọn hệ số an toμn về áp khi chọn van cho chỉnh
l−u thyristror. Bên cạnh đó, do ta có các mạch lọc cao tần LC nên ít xảy ra hiện t−ợng quá áp trên van do xung áp.
Chọn hệ số an toμn về áp của van bán dẫn lμ 1,5. Do vậy ta có điện áp chịu đựng yêu cầu của van bán dẫn có giá trị bằng:
UV = 1,5.816,49 = 1224,74 V 2.4.2. Loại trừ sóng hμi bậc cao
Khi hệ số điều biến biên độ ma = 1 thì thμnh phần điện áp sóng hμi trong điện áp dây lμ lớn nhất, do vậy ta tiến hμnh loại trừ sóng hμi trong tr−ờng hợp điện áp ra yêu cầu lớn nhất vμ kiểm nghiệm trong chế độ điện áp ra nhỏ nhất.
Quá trình loại trừ sóng hμi ta sẽ loại trừ đi thμnh phần nμo có biên độ lớn nhất vμ gần sóng cơ bản nhất. Các thμnh phần còn lại ta sẽ kiểm nghiệm lại giá trị dòng điện theo giá trị thiết bị lọc sóng hμi.
Theo bảng 3.1 ta có điện áp của các thμnh phần sóng hμi trong chế độ ma = 1 với điện áp Ud = 816,49 V
h 39±2 39±4 2.39±1 2.39±5 3.39±2 3.39±4 4.39±1 4.39±5 4.39±7 Uh(V) 159,80 9,01 90,63 16,33 31,03 78,38 34,29 59,60 24,49
Bảng 3.2 : Bảng giá trị điện áp các thμnh phần sóng hμi trong thμnh phần điện áp ra Điện áp sóng hμi ra có giá trị: Uh = U352h +U372h +U392h +... = = ( 2 2 2 2 2 2 2) 2. 159,80 +9,01 +90,63 +16,33 +31,03 + +... 59,60 +24,49 = =305,06 V
Trong bảng giá trị điện áp sóng hμi ta thấy thμnh phần sóng hμi bậc 37 vμ
41 có điện áp lớn nhất trong tất cả các thμnh phần sóng hμi. Việc loại trừ đ−ợc hai sóng nμy sẽ lμm giảm phần lớn điện áp sóng hμi ra. Vì vậy ta tiến hμnh loại trừ hai sóng nμy. Mặt khác, nếu dùng bộ lọc thông thấp thì tần số cμng cao thì cμng bị chặn nhiều, vì vậy khi loại trừ sóng bậc 37 bằng bộ lọc thông thấp thì sóng bậc 39 cũng bị loại luôn. Do nguyên nhân trên ta tiến hμnh thiết kế bộ lọc thông thấp lấy sóng bậc 37 lμm tiêu chuẩn thiết kế, còn các sóng khác sẽ kiểm nghiệm lại qua giá trị bộ lọc.
Các loại bộ lọc thông thấp có thể sử dụng:
Trong sơ đồ bộ lọc ba pha ta có hai loại bộ lọc lμ bộ lọc RC vμ bộ lọc LC. Trong cả hai loại bộ lọc đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao, mỗi kiểu mắc đều có những −u nh−ợc điểm riêng. Khi mắc tụ điện hình tam giác có −u điểm lμ tiết kiệm dung l−ợng tụ xong không loại trừ hết đ−ợc sóng hμi điện áp dây. Bộ tụ đấu hình sao dung l−ợng tụ tăng lên ba lần nh−ng đổi lại ta loại đ−ợc sóng hμi cả điện áp pha vμ điện áp dây, vμ đặc biệt khi tụ đấu hình sao có trung tính thì có thể loại luôn cả điện áp thứ tự không sinh ra khi chuyển mạch van bán dẫn.
+ Bộ lọc RC
Bộ lọc RC lμ loại bộ lọc cổ điển vμ đơn giản nhất, việc bố trí linh kiện của bộ lọc nh− hình vẽ (hình 3.8).
Hình 3.8 : Mạch lọc RC ba pha
Mạch lọc RC có −u điểm lμ đơn giản, rẻ tiền, vận hμnh ổn định. Nh−ợc điểm chính lμ gây tổn hao trên điện trở, nhất lμ khi công suất lọc lớn, khả năng chọn lọc tần số kém.
+ Bộ lọc LC
Kết cấu của bộ lọc LC bao gồm các linh kiện nh− hình vẽ (hình 3.9).
Mạch lọc LC lμ mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc đ−ợc nhiều tần số theo ý muốn. Nh−ợc điểm lớn nhất của mạch lọc lμ giá thμnh vμ sự vận hμnh của mạch, sự vận hμnh của mạch kém tin cậy hơn mạch lọc RC do trong mạch có cuộn cảm vμ đặc biệt lμ loại mạch lọc nμy gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng điện từ của cuộn cảm. Chỉ khi nμo chỉ số lọc cao ta mới sử dụng loại mạch lọc nμy.
Lựa chọn bộ lọc:
Yêu cầu chính của bộ lọc đầu ra của bộ nghịch l−u lμ khả năng lọc thμnh phần hμi bậc cao tốt, tổn hao nhỏ vμ khả năng đáp ứng dải tần số cao. Vì vậy ta chọn bộ lọc LC cho đầu ra của nghịch l−u.
2.4.3. Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch l−u
Do tần số đầu ra của bộ nghịch l−u biến đổi khá lớn, từ 10 đến 500 Hz, nên việc sử dụng bộ lọc một cấp cho đầu ra bộ nghịch l−u lμ không hợp lý khi đầu ra đòi hỏi chất l−ợng điện áp vμ dòng điện cao. Trên cơ sở đó, ta tiến hμnh sử dụng bộ lọc hai cấp cho hai dải tần số khác nhau: dải tần thấp vμ dải tần cao. Hai tần số đ−ợc chọn để thiết kế bộ lọc lμ tần số cực đại vμ tần số 50Hz. Quá trình chuyển đổi vận hμnh của hai cấp bộ lọc sẽ đ−ợc tiến hμnh khi ta mô phỏng bộ lọc bằng PESIM, chỉ tiêu để chuyển bộ lọc lμ chỉ tiêu sóng hμi trong thμnh phần điện áp vμ dòng điện.
2.4.3.1. Thiết kế bộ lọc cho chế độ cực đại của tần số
Trong quá trình thiết kế ta lấy sóng hμi bậc 37 lμm chỉ tiêu thiết kế, các sóng hμi còn lại đ−ợc kiểm nghiệm qua các giá trị của bộ lọc.
Chỉ tiêu của bộ lọc lμ dòng điện thμnh phần sóng hμi chiếm d−ới 1% thμnh phần cơ bản.
Thμnh phần sóng hμi bậc 37 vμ 41 chiếm phần lớn trong thμnh phần sóng hμi ( 73,8%), mặt khác ở tần số cμng cao thì sóng hμi cμng bị chặn nhiều, nên ta qui tất cả các sóng về sóng bậc 37 để tính toán bộ lọc.
Giả sử tr−ờng hợp bộ nghịch l−u cung cấp điện cho tải điện trở, tr−ờng hợp tải mang tính cảm thì ta có thêm bộ lọc thứ cấp sau bộ lọc sóng hμi, khi đó ta có tỷ số:
out o
in i
I U
+ Iout : giá trị dòng điện sóng hμi đi vμo tải. + Iin : dòngđiện sóng hμi đi vμo bộ lọc + Uo : điện áp sóng hμi qua bộ lọc
+ Ui : điện áp định mức của sóng cơ bản. từ đó ta có:
Uo = 1%.159,8 = 1,598 V Tính toán bộ lọc với các thông số:
+ Điện áp vμo bộ lọc Ui = 159,8 V + Điện áp ra khỏi bộ lọc Uo = 1,598 V Tính toán bộ lọc:
Để đơn giản ta qui đổi tính toán ba pha về tính toán một pha. Sau khi qui đổi ta có mạch điện của bộ lọc trên một pha dùng để tính toán bộ lọc nh− hình vẽ (hình 3.10).
Hình 3.10 : Sơ đồ thay thế bộ lọc trên một pha Hμm đặc tính vμo ra của bộ lọc: ( )2 1 1 1 1 o i U j C U j L j LC j C ω ω ω ω = = + + = = 12 1−ω LC trong công thức trên:
+ Uo : điện áp ra của bộ lọc + Ui : điện áp vμo của bộ lọc + ω : tần số góc của sóng hμi Ta có: 2 1 1 h hf ih ihf U U U =U = −ω LC trong đó:
+ Uihf : điện áp pha của sóng hμi đầu vμo. Tần số góc của sóng hμi bậc 37: 7 ω = 2. π .37.500 = 116238,92 rad/s Thay số ta có: 2 1,598 1 159,80 = 1−ω LC ⇒ ω2LC =99 ⇒ LC = 7,33.10-9
Giá trị của tụ điện đ−ợc chế tạo thông th−ờng phần lẻ lμ 0,25 nên ta chọn tụ điện: C = 50 μF
Khi đó điện cảm cuộn dây có giá trị: L = -9 -9 -6 7,33.10 7,33.10 C = 50.10 = = 146,6.10-6 = 146,6 μH Vậy giá trị của các linh kiện trong bộ lọc lμ:
C = 50 μF L = 146,6 μH
2.4.3.2. Thiết kế bộ lọc cho chế độ tần số cực tiểu
Mục tiêu khi chuyển đổi bộ lọc lμ ta chỉ chỉ chuyển đổi giá trị chủ cuộn cảm còn giữ nguyên giá trị của tụ điện.
Tần số cần tiến hμnh lọc:
7
ω = 2. π .37.10 = 2324,78 rad/s
Do tần số thấp nên kích th−ớc bộ lọc khá lớn, để giảm kích th−ớc vμ tổn hao trong bộ lọc thì biện pháp có thẻ đ−a ra lμ giảm chỉ tiêu của bộ lọc. Khi ở tầ thấp ta lấy chỉ tiêu của bộ lọc lμ 5 %. Khi đó ta có:
Uh= 5%.159,80 =7,99 V Thay vμo ph−ơng trình ta có: 2 7,99 1 159,80 = 1−ω LC ⇒ ω2LC =19 ⇒ LC = 3,52.10-6
L = 6 6 3,52.10 50.10 − − =70,31.10-3 H = 70,31 mH
Hình 3.11 : Cuộn cảm của bộ lọc hai cấp
Cuộn cảm của bộ lọc gồm có hai cấp nh− hình vẽ, điện cảm của bộ lọc trong chế độ tần số cực đại:
Lc = 146,6 μH
Điện cảm của bộ lọc trong chế độ tần số cực tiểu: Lc + Lt = 70,31 mH
⇒ Lt = 70,31 - Lc = 70,31.10-3 - 146,6.10-6 = = 70,16.10-3 H
2.4.4. Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT Công suất trên một pha của bộ nghịch l−u: Công suất trên một pha của bộ nghịch l−u:
Pf = P/3 = 5000/3 = 1666,67 kW Dòng điện sóng cơ bản trong chế độ lμm việc:
Iv = Id = If = f fmin min P . 3 U f P U = = 5000 3.100 = 28,87 A Dòng điện hiệu dụng cực đại qua van:
Ivmax = Iv + Ih = 28,87 + 0,63 = = 29,5 A
Chọn ph−ơng pháp lμm mát bằng đối l−u c−ỡng bức, dùng quạt gió. Chọn hệ số dự trữ dòng điện lμ:
Ki = 3,2 Dòng điện yêu cầu chọn IGBT:
Ivan ≥ 3,2.29,5 = 94,4 A Vậy ta có chỉ tiêu chọn van bán dẫn:
Ivan ≥ 94,4 A Uvan ≥ 1224,74 V
Chọn van bán dẫn lμm nhiệm vụ đóng cắt:
Với công nghệ sản suất bán dẫn ngμy nay thì dải công suất trên các van bán dẫn có thể đ−ợc tích hợp trên một phần tử. Do đó ta chọn sáu van đ−ợc tích hợp trên một phần tử.
Chọn van IGBT: APGS50X170TE3
Hình 3.11 : Sơ đồ nối điện vμ hình dạng của IGBT APGS50X170E3 Thông số của van APGS50X170TE3:
+ Loại van: Cầu ba pha
+ Hãng sản suất: Advanced Power Technology Europe + Điện áp ng−ợc cực đại: UCES = 1700 V
+ Dòng điện chế độ dẫn liên tục: IC = 50 A + Nhiệt độ vận hμnh thông th−ờng: TC = 800C + Tần số đóng cắt tối đa: fmax = 20 kHz
Bảng 3.4 : Thông số kĩ thuật van IGBT
Đại l−ợng Thông số Giá trị cực đại
Đơn vị
UCES Điện áp đánh thủng Colector - Emitor 1700 V
TC = 250C 100
IC
Dòng điện Colector khi dẫn
liên tục T
C = 850C 50 A
ICM Dòng Colector trongchế độ
đóng cắt
TC = 250C 150 A
UGE Điện áp trên Gate - Emitor ±20 V
PD Công suất nhiệt cực đại trên
vỏcho phép
TC = 250C 480 W
RBSOA Dòng diode ng−ợc TC = 1250C 100A/1600V Bảng 3.5 : Thông số vận hμnh của van
BVCES Điện áp đánh thủng Colector-Emitor UGE = 0V, IC = 1mA 1700 V
UGE = 0V Tj = 25°C 0.02 0.1
ICES Zero Gate Voltage Collector Current
UCE = 1700V Tj = 125°C 1.5 mA
Tj = 25°C 2.7 3.3
VCE(on) Điện áp mở Colector-Emitor UGE =15V
IC = 50A Tj= 125°C 3.2 V
VGE(th) Điện áp ng−ỡng của Gate UGE = UCE , IC = 2.5 mA 4.5 6.5 V
IGES Dòng điện rò giữa Gate-Emitor UGE = 20V, UCE = 0V 100 nA
Cies Điện dung đầu vμo UGE = 0V, UCE = 25V
f = 1MHz 3500 pF
Td(on) Thời gian trễ mở 100
Tr Thời gian mở thông 100
Td(off) Thời gian trễ khoá 800
Tf Thời gian khoá
Chuyển mạch tải cảm(25°C) UGE = ±15V
UBus = 900V, IC = 50A
RG = 30Ω 30
ns
Td(on) Thời gian trễ mở 100
Tr Thời gian mở thông 100
Td(off) Thời gian trễ khoá 900
Tf Thời gian khoá 30
ns
Eoff Năng l−ợng toả ra khi khoá
Chuyển mạch tải cảm (125°C) UGE = ±15V UBus = 900V IC = 50A
RG = 30Ω 14.5 mJ
Bảng 3.7: Thông số của diode ngựơc
Tj = 25°C 2.2 2.6
UF Điện áp rơi trên diode khi thông
IF = 50A UGE = 0V Tj =125°C 2.0 V Er IF = 50A T j = 25°C 2
Năng l−ợng toả ra khi dẫn dòng
ng−ợc di/dt=750A/us UR = 900V Tj =125°C 4 mJ Tj = 25°C 6 Qrr Điện tích nạp khi dẫn dòng ng−ợc IF = 50A UR = 900V di/dt=750A/us Tj=125°C 12 μC
Hình 3.12 : Hình dạng vμ các kích th−ớc của IGBT APGS50X170TE3 Tính toán lμm mát cho van
Ph−ơng pháp lμm mát phổ biến hiện nay lμ lμm mát đùng cánh tản nhiệt. Diện tích cánh tản nhiệt có thể tính gần đúng theo công thức:
. m m P S k τ Δ = trong đó: + Sm : diện tích cánh tản nhiệt, cm2
+ ΔP : tổn thất công suất trên van, W
+ τ : Độ chênh lệch nhiệt độ của van so với môi tr−ờng,
τ = Tlv - Tmt
+ km : hệ số khi xem xét đến môi tr−ờng lμm việc, chọn km =8.10-4
Tổn thất công suất trên van bán dẫn khi lμm việc bình th−ờng: . LV
P U I
Δ = Δ trong đó:
+ ΔU : sụt áp trên một van bán dẫn, 3,2 V + ILV : dòng lμm việc của van bán dẫn Thay số ta có:
3,2.29,5 P
Δ = = 94,40 W Chọn nhiệt độ lμm việc của van lμ: TLV = 800C Chọn nhiệt độ của môi tr−ờng lμ : TMT = 400C Diện tích cánh tản nhiệt yêu cầu:
4 94,40 8.10 .(80 40) m S = − − = 2950 cm2 Chọn tản nhiệt có 15 cánh, kích th−ớc mỗi cánh: h.b = 10.10 cm2
Nh− vậy diện tích của toμn bộ tản nhiệt:
STN = 15.2.10.10 = 3000 cm2
Hình 3.13 : Hình dạng cánh tản nhiệt của IGBT
Do cánh tản nhiệt thoả mãn điều kiện lμm mát bằng đối l−u tự nhiên vμ
bức xạ nhiệt, nên không cần lμm mát c−ỡng bức.
2.4.5. Tính toán dòng điện nguồn một chiều cung cấp cho mạch nghịch l−u
Giả sử góc lệch pha giữa điện áp vμ dòng điện của tải lμ ϕ. Ta có:
+ Ph−ơng trình điện áp tải:
ut = 2U0sin(ω1t ) + Ph−ơng trình dòng điện tải:
Po = ut.it = 2 U0sin(ω1t ). 2 I0sin(ω1t −ϕ) = U0I0cosϕ - U0.I0cos(2ω1t −ϕ) Công suất cung cấp cho mạch nghịch l−u:
Pi = ud.id
Bỏ qua tổn thất trong bộ nghịch l−u ta có ph−ơng trình cân bằng công suất của ba pha:
udid = U0I0cosϕ - U0.I0cos(2ω1t −ϕ) + U0I0cosϕ - - U0.I0cos ( 0) 1 2 ωt 120 ϕ ⎡ − − ⎤ ⎣ ⎦ + U0I0cosϕ - U0.I0cos ( 0) 1 2 ωt 120 ϕ ⎡ + − ⎤ ⎣ ⎦
⇒ udid = 3.U0I0cosϕ - U0.I0{ cos(2ω1t −ϕ) + cos ( 0)
1 2 ωt 120 ϕ ⎡ − − ⎤ ⎣ ⎦ + cos ( 0) 1 2 ωt 120 ϕ ⎡ + − ⎤ ⎣ ⎦ } Ta có: cos(2ω1t −ϕ) + cos ( 0) 1 2 ωt 120 ϕ ⎡ − − ⎤ ⎣ ⎦ +cos ( 0) 1 2 ωt 120 ϕ ⎡ + − ⎤ ⎣ ⎦ =
= cos(2ω1t −ϕ) + 2.cos(2ω1t −ϕ).cos2.1200 = 0 Vì vậy ta có: udid = 3.U0I0cosϕ ⇒ id = 0 0 d 3.U I U cosϕ = d P U
Ta thấy rằng dòng điện bên nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch l−u lμ dòng điện không đổi.
T−ơng tự ta tính toán cho các thμnh phần sóng hμi, ta thấy dòng điện cung cấp cho nghịch l−u để tạo ra các thμnh phần sóng hμi cũng lμ dòng điện không đổi.
Dòng điện cung cấp cho mạch nghịch l−u để tạo ra các thμnh phần sóng hμi:
ih = h d
P U
Dòng điện tổng cộng cung cấp cho mạch nghịch l−u khi bở qua tổn thất trong bộ nghịch l−u: Id0 = h d P P U +
Do dòng đi vμo mạch nghịch l−u lμ không đổi nên ta không cần mạch lọc