Đề tài Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi

là không đổi, không phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng gồm có: NLĐL nguồn dòng song song một pha. NLĐL nguồn dòng ba pha. 1. 3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp NLĐL nguồn áp sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, MOSFET, BJT do công nghệ chế tạo các phần tử này đã hoàn chỉnh hơn rất nhiều. Ở đây chúng ta có NL nguồn áp 1 pha, 3 pha. 1.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4 và các điôt ngược D1, D2, D3, D4. Các điôt ngược là bắt buộc phải có trong sơ đồ NLĐL nguồn áp, giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng với nguồn. Nguồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co có giá trị đủ lớn, có 2 vai trò: San bằng điện áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu. Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điôt ngược. Hình 1.1 Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha Nếu không có tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ không có đường chạy cho dòng phản kháng dẫn đến quá điện áp trên các phần tử trong sơ đồ. 1.3.2 Ngịch lưu độc lập nguồn áp ba pha Sơ đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5, D6. Tương tự như NLĐL nguồn điện áp một pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn. Hình 1.2. Mạch NLĐL nguồn điện áp cầu 3 pha Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn. Có thể dùng thêm bộ DC-DC để có điện áp vào mong muốn. Phụ tải Za=Zb=Zc đấu Y hoặc ∆. 1.4.Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra không biến đổi phải thỏa mãn những yêu cầu sau: Đảm bảo cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin. Điều chỉnh vô cấp được tần số của điện áp ra trên tải. An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cố. Chi phí thiết kế vận hành thấp. 1.5.Giới thiệu chung về diode và IGBT 1.5.1 Diode: Là phần tử được cấu tạo bởi 1 lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. diode có 2 cực anot là cực bán dẫn kiểu p, catot là cực nối với bán dẫn kiểu n. DÒng điện chỉ chạy theo anot theo chiều từ A đến K khi điện áp dương. Khi âm, dòng đi qua diode gần như bằng không 1.5.1.1 Nguyên lý làm việc 1. 5.1.1a Khi phân cực thuận: ta thực hiện mạch bên với điều kiện điện áp của nguồn ngoài Un sẽ tạo ra 1 một điện trường En > Etx (và ngược với Etx) kết quả ta được điện trường tổng đặt lên tiếp giáp J Et=En+Etx có chiều hướng đi từ A tới K chiều của điện trường này tạo điều kiện thuân lợi cho các hạt đa số di chuyển dễ dàng ( vùng P hạt đa số là lỗ trống, vùng N hạt đa số là e) làm cho dòng điện khuếch tán lớn đi từ A tới K và hầu như toàn bộ điện áp ngoài đặt vào J. 1.5.1.1b Phân cực ngược: Ta đấu A vào âm của nguồn ta đấu K vào dương của nguồn. Kết quả Et=En+Etx có chiều hướng làm cho các hạt thiểu số di chuyển dễ dàng và ngăn cản các hạt đa số. do mật độ hạt thiểu số rất nhỏ nên chỉ có 1 dòng điện rất nhỏ qua J gọi là dòng rò đi từ K tới A. 1.5.1.1c Đặc tính Volt-Ampe(V-A) Hình 1.3 đặc tuyến Volt-Ampe Nếu đặt Eak >0 sẽ có dòng điện chạy qua và tạo ra 1 điện áp rơi khoảng 0.7v ( với Si). Khi dòng điện là Iđm nếu điện áp Uak<0 các điện tử tự do và các lỗ trống bị đẩy ra xa J kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua. Khi tiếp tục tăng lên điện áp Uak theo chiều âm thì các hạt thiểu số sẽ được tăng tốc với động năng lớn và gây ra va chạm làm bẻ gãy các liên kết vùng J theo hình thức dây chuyền, kết quả là hàng loạt các điện tích mới được sinh ra ở vùng J làm cho dòng điện tăng lên đọt ngột, dòng này sẽ phá hỏng diode. Trị số điện áp ngược gây hỏng van diode gọi là Ungmax( trị số điện áp cực đại). Trong thực tế điện áp ngược cho phép đặt vào van : Ung thực tế ( 0.7-0.8) Ungmax của van thì an toàn. Khi đặt 1 điện thế Uak>0 điện từ vùng N vượt qua vùng mặt gép J sang miền P và đến cực dương của nguồn. Nếu bỗng nhiên đặt Uak <0, các điện tử ở vùng P phải quay về vùng N. Sự di chuyển này tạo nên dòng điện ngược chạy qua diode từ K tới A trong thời gian ngắn, nhưng cường độ dòng điện này lớn hơn nhiều so với dòng điện ngược bình thường. Ban đầu dòng điện ngược này khá lớn, sau đó suy giảm và khoảng 1 thời gian (turn off time) nó giảm xuống gần bằng 0. Đang ở chế độ khóa, dòng điện ngược qua van rất nhỏ, không đáng kể nếu bỗng nhiên đặt Uak>0 vào diode, dòng điện I không thể đạt giá trị U/R mà phải mất 1 khoảng thời gian ( tunr on time) để các điện tích đa số đồng loạt di động, cỡ Khi tần số nguồn F 100Khz thì diode sẽ mất tính dẫn điện theo 1 chiều( mất chế độ khóa). 1.5.2 IGBT 1.5.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của tranzito thường. Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.4 cấu trúc bán dẫn Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện từ di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở tranzito thường, tạo nên dòng colectơ do đó cấu trúc p-n-p mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ởIGBT thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng vì điều này mà thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khóa lại. Hình 1.5 Ký hiệu IGBT và mạch điện Chương 2: Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguồn áp 1 pha 2.1 Cải thiện điện áp ra cho nghịch lưu độc lập điện áp Nếu tải không có đòi hỏi về dạng áp ra hình sin sẽ không cần quan tâm đến bộ lọc. Tuy nhiên với các tải xoay chiều được thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn điện áp hình sin (như động cơ điện, máy biến áp lực) cần phải cải thiện dạng điện áp ra theo yêu cầu của tải. Có một số phương pháp sau được sử dụng: Dùng bộ lọc tần số thụ động: với dòng tải lớn và điện áp cao bộ lọc phải thực hiện bằng các phần tử thụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất không thể tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị. Hơn nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao. Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch nhau hoặc tần số khác nhau: phương pháp này thực hiện khá đơn giản, các van hoạt động nhẹ nhàng vì tần số chuyển mạch thấp, nhưng mạch lực và mạch điều khiển phức tạp, vì vậy cũng ít được dùng. Phương pháp điều chế PWM: trong một khoảng dẫn của van, transistor không dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn thay đổi. · Điều chế hình sin (SPWM) · Điều chế vector (VPWM) Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn: các van không đóng mở nhiều lần như trong phương pháp điều chế PWM mà thường chỉ dưới 10 lần. Phương pháp này sẽ phù hợp khi sử dụng các van không có khả năng làm việc ở tần số cao như GTO, IGBT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức). 2.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha Sơ đồ mạch lực PWM một pha được biểu diễn như hình 2.2 Hình 2.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và sóng điều biên. + Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn có thể đến hàng chục thậm chí hàng trăm kHz. + Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch lưu. Hình 2.2 biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực. Chu kì đóng mở được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnh sóng hình sin cơ bản. Hình2.2 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hòa của sóng điều chế theo phương pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này. Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo phương pháp PWM trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình . Giao điểm của hai sóng xác định thời điểm kích mở van bán dẫn. Hình 2.3 Đồ thị xác định thời điểm kích mở thysistor Điện áp của đầu ra bộ nghịch lưu PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông, có nghĩa là khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn áp đã đề cập ở trên. Khi điện áp điều khiển càng giảm thì bề rộng của xung càng giảm và độ trống xung càng tăng, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển. Hình 2.5giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kích mở van bán dẫn. Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho xung ra có bề rộng b. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi như trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy ta có c = b/2. Hình 2.4. Giải thích sự việc sử dụng sóng tam giác để so sánh Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhưng bề rộng xung thay đổi, do vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi và ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch lưu thay đổi. Cách điều chế tương tự cũng được xem xét cho phần âm của sóng sin chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của sóng sin. Điều đó đồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác. Quá trình đưa xung có tần số cao vào sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ làm tăng các điều hòa bậc cao. Nhưng ta có thể dễ dàng lọc ra điều hòa bậc thấp và tần số cơ bản sin hơn. Bên cạnh đó động cơ là tải điện cảm nên dễ dàng làm suy giảm các điều hòa bậc cao cả điện áp và dòng điện. Thay cho phương pháp điều khiển PWM đơn cực để nâng cao chất lượng điều khiển ta có phương pháp điều khiển PWM lưỡng cực. Các thysistor được kích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lưỡng cực). Giản đồ điện áp điều biến PWM lưỡng cực được biểu diễn trên hình 2.2.5. Phần điện áp ngược trong nửa trong chu kì đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫn người ta điều chế sóng tam giác tần số cao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác và sóng hình sin cần điều biến. Hình 2.5 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dẫn tới tổn hao đổi chiều trong thysistor của bộ nghịch lưu lớn. Để chọn bộ nghịch lưu có sóng gần chữ nhật hoặc bộ nghịch lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ xung phần tử chuyển mạch và tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản còn lại ở đầu ra 2.3: Lựa chọn phương án thiết kế Do hiện nay lọc thụ động thường chỉ dùng tần số ra không thay đổi như bộ nguồn UPS và phải kết hợp với cá phương pháp hiệu quả hơn, mà được dùng nhiều nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Nên ta lựa chọn phương pháp PWM Chương 3: Thiết kế mạch lực 3.1.Mạch lực: 3.1.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực * Nhiệm vụ - Cấp mass cho 2 đầu cuộn dây sơ cấp của máy biến áp điểm giữa. - Đóng cắt theo xung điều khiển vào cực G. *Yêu cầu - Mạch lực chịu tần số đóng cắt lớn. - Mosfet xả hết điện khi ngưng dẫn. 3.2. Chọn van IGBT Như vậy điện áp lớn nhất đặt lên các van IGBT là: ==. =.127=316,95(V) Trong đó q là hệ số biến điệu. (0 < q < 0.866) Hình 3.1 V1 khóa, V4 thông *) Dòng điện trung bình đi qua van: Biểu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra: Rút gọn ta được: Dòng trung bình qua van sẽ lớn nhất với tần số thấp là: = (1+q)=(1+q)=(1+0,85)=15,7(A) Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là: ==2.316,95 633.9 (V) ==1,5.15,7 23.55(A) Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT có các thông số chính : Van IRG4PH404 Icmax/A = 30, Vces = 1200, Pdmax = 160 Vcc= 2,7 Ices/uA = 250 3.3. Tính toán chọn Diode Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van Biểu thức dòng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là: Giá trị cực đại của dòng trung bình qua Diode: =(1-q)=(1-q)=(1-0,85)=1,273(A) Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là: ==2.316,95 633,9(V) ==1,5.1,273 1,909(A) Từ 2 thông số trên ta chọn DIODE có các thông số chính sau: BYD13-K Ungmax = 800, I = 2A 3.4. Tính giá trị tụ C Thay số ta có: =0.86 3.5: Tính toán bộ lọc Xác định tụ C2 Chọn = 0,5 => Q2= .P = 0,5*1524 = 762 VA Ta tính được C2 ZC2= = = 21,17 => C2 = = = F Xác định mắc cộng hưởng nối tiếp : Ta có Suy ra ta lấy Công suất phản kháng Ta có Ira = 12A => Ta có Hình 3.2: Bộ lọc LC 3.6: Tính toán mắt lọc chặn tần số sóng mang Ta chọn tần số mang 4kHz với tham số tải là 1000W, điện áp ra 127V và = 80Hz Sụt điện áp trên điện cảm ở tần số cơ bản: = 0,01.127 = 1,27 V, chọn sụt áp trên mắt lọc bằng 1V Do dòng điện mức tải Suy ra điện cảm => = 0,4mH Tính toán tụ điện Kiểm tra tổng trở tần số cơ bản Hình 3.3 sơ đồ lọc chặn tần số sóng mang Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 4.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : 4.1.1Nhiệm vụ - Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên colector và emitor của van . - Khoá van trong nữa chu kì còn lại . - Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc chắn . - Tạo ra được tần số và điều chỉnh độ rộng xung. - Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định . 4.1.2 Yêu cầu chung về mạch điều khiển là : - Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau : + Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển: Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn. Tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép . + Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển : Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van . + Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từ truờng... + Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp . . 4.2: Tính toán mạch điều khiển: 4.2.1 tính toán để có được xung ra là 80Hz oscillator Dao động điều khiển tần số của SG3525 và được lập trình bằng RT và CT. RT và RD tính bằng Ω ,CT tính bằng F,f tính bằng Hz với f = 80hz, ta có : ta chọn: Ct = 0,025 uF RD = 100Ω Rt = 165 k𝜴 4.2.2 Tính toán xung tam giác 2 cực tính Chọn tần số điện áp của tam giác 4kHz Nguồn E , UOA = 12V, biên độ điện áp Có điện áp đầu ra OA1 cực đại Um = UOA + UDZ = 12+ 0,7 = 12,7V Trong khoảng thời gian một nửa chu kỳ điện áp răng cưa phải biến thiên được giá trị bằng 2 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 và R3 là biến trở 10k Hình 4.1 sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cự