Thiết Kế Bộ Nghịch Lưu Dòng Điện 3 Pha. [PDF]

Zitiervorschau

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Với chương trình đào tạo của nhà trường cùng với yêu cầu của khoa em được phân công thiết kế đồ án môn học điện tử công suất có đề tài: “Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha”. Đồ án này gồm 4 chương: Chương 1. Giới thiệu bộ nghịch lưu 3 pha. Chương 2. Tính toán thiết kế mạch lực. Chương 3. Tính toán thiết kế mạch điều khiển Chương 4. Mô phỏng hệ thống .

1

Mục lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 1.1.Giới thiệu chung nghịch lưu độc lập.................................................................5 1.2 .Van IGBT..................................................................................................6 1.3. Sơ đồ nghịch lưu độc lập ba pha.............................................................10 1.4. Giới thiệu phương pháp điều khiển van IGBT1.............................................13 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC.......................................15 2.1. Thiết kế mạch lực...........................................................................................15 2.2. Tính toán thiết bị............................................................................................15 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.......................16 3.1. Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển...............................................................16 3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa..............................................................................18 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG............................................................19 4.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM......................................................19 4.2. Các linh kiện sử dụng cho việc mô phỏng mạch nghịch lưu ba pha sử dụng điều chế bề rộng xung PWM.................................................................................20 4.3. Mô phỏng.......................................................................................................21 4.4. Kết quả...........................................................................................................21

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 2

1.1. Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ắc quy và các nguồn một chiều độc lập khác. Nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như ắc quy), hệ các truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim … Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha. Người ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. Ngoài ra còn nhiều cách phân loại nghịch lưu nhưng hai cách trên là phổ biến hơn cả. 1.2. Van IGBT 1.2.1. Đặc điểm cấu tạo, kí hiệu Cực điều khiển G

C

Emitơ E

C n

p

n

n

p

n

n

p

n

n

p

n

n+ p

n+ p

G

G

i1

i2

E

E a)

b)

Colectơ C

c)

d)

Hình 2. Cấu tạo kí hiệu IGBT IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Transisto thường. IGBT được điều khiển bằng điện áp, có công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emitter với collector, không phải N-N như ở MOSFET. Có thể coi IGBT như một Transistor P-N-P với dòng điều khiển bởi MOSFET. 3

1.2.2. Các thông số cơ bản của van IGBT; Quá trình điều khiển IGBT

Hình 3. Bảng thông số cơ bản IGBT Quá trình mở IGBT

Hình 4. Quá trình mở IGBT Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị U G. Trong thời gian trễ khi mở Id(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo qui luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng U GE(th) (khoảng 3 đến 5V), chỉ bắt 4

đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa collector- emitter tăng theo qui luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I 0 trong thời gia tr. Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá trị U GE.I0 xác định giá trị dòng I0 qua collector. Do Diode D0 còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều U DC. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giai đoạn ttv1 và ttv2. Trong suốt 2 giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức UGE.I0, để duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc.IGBT vẫn là việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của Diode D0, dòng phục hồi của Diode D0 tạo nên xung dòng trên mức dòng I 0 của IGBT. Điện áp UCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector- emitter về giá trị R on khi khóa bão hòa hoàn toàn, UCE.on=I0Ron. Sau thời gian mở t on, khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và emito tiếp tục tăng theo qui luật hàm mũ, với hằng số C gcRG đến giá trị cuối cùng UG Quá trình khóa

Hình 5. Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT Hình trên thể hiện dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT. Quá trình khóa bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ U G xuống –UG. Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số 5

thời gian CgcRG tới mức điện áp Miller. Bắt đầu từ mức Miller điện áp giữ cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp U ce bắt đầu tăng lên do đó tụ C ge bắt đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ C ge nên điện áp UGE được giữ không đổi. Điện áp UCE tăng từ giá trị bão hòa UCE.on tới giá trị điện áp nguồn UDC sau khoảng thời gian trv. Từ cuối khoảng Irv Diode bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dòng collector bắt đầu giảm. Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn t ti1 và tti2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về không. Điện áp Ugc ra khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển đầu vào –U G với hằng số thời gian RG(Cge+Cgc). Ở cuối khoảng tti1, Ugc đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, U GE(th) tương ứng với việc MOSFET bị khóa hoàn toàn. Trong giai đoạn 2,thành phần dòng i 2 của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm. Quá trình giảm dòng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong lớp n chỉ bị mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích tại chỗ. Đó là vẫn đề đuôi dòng điện đã nói đến ở trên. Lớp n trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp làm giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi đó số lượng các điện tích thiểu số tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại không có cách nào di chuyển ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử. Ở đây, công nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn cỡ 1 đến 5 µs.

6

1.3. Sơ đồ nghịch lưu độc lập 3 pha 1.3.1. Cấu tạo

Hình 6. Sơ đồ nguyên lí nghịch lưu 3 pha 1.3.2. Nguyên lí hoạt động 0 0 Sơ đồ có thể điều khiển bằng 2 luật dẫn van khác nhau:   120 or  180

Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng trên trở, ta điều khiển van T1÷ T6 tuân theo định luật:

 T1 và T4 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha A  T3 và T6 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha B  T5 và T2 đấu lệch nhau 1 góc 180o →Tạo điện áp pha C  Mỗi pha lệch nhau 120o  Nếu  =120othì độ lệch các van giống  =180o (lệch 120o nhưng kết thúc sớm hơn 60o ) a.Trường hợp 1: Góc dẫn van  = 180o, luật điều khiển này giống trong NLĐL 1 pha khi 2 van 1 nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ. Đồ thị điện áp dòng điện:

7

0

60

120

180

240

300

360

b. Trường hợp 2: Góc dẫn van 𝛌= 120o , trong luật này 2 van không thay nhau dẫn mà có 1 đoạn nghỉ 60o giữa chúng Đồ thị điện áp dòng điện:

8

1.4. Giới thiệu về phương pháp điều khiển IGBT Điều khiển PWM Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm. Phương pháp điều chế sinPWM một pha Nguyên tắc của sinPWM là trong một khoảng dẫn của van, transistor không dẫn liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời của hình sin có tần số bằng sóng hài cơ bản. Người ta dùng xung tam giác tần số cao (sóng mang) để so sánh với điện áp hình sin (sóng điều chế), điểm cắt nhau giữa hai điện áp này là điểm chuyển đổi trạng thái của hai cặp van cho nhau. Điện áp ra không chỉ còn hai xung chữ nhật với biên độ +E 9

hay -E mà là một dãy xung có độ rộng biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình sin.

Hình 8 Điều chế PWM hai cực tính Nếu điện áp đầu ra sau mỗi lần đóng ngắt van luôn tồn tại cả hai dấu ±E thì được gọi là điều chế hai cực tính.

Hình 9 Điều chế PWM một cực tính Nếu điện áp đầu ra ở suốt nửa chu kỳ chỉ có một dấu (+E hoặc -E) thì được gọi là điều chế một cực tính. Hiệu quả giảm sóng hài bậc cao của PWM phụ thuộc vào hai hệ số: Hệ số biên độ: m =U U (m ≤ 1)  là tỉ số giữa biên độ điện áp sóng điều chế U và biên độ điện a

mdc

mc

a

mdc

áp sóng mang U . mc

(nếu m > 1 gọi là quá điều chế làm giảm chất lượng điện áp ra) a

Hệ số tần: m = f fdc là tỉ số giữa tần số sóng mang f và tần số điện áp điều chế f . f

c

c

dc

(tần số sóng mang f bằng tần số chuyển mạch f ) c

sw

10

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Thiết kế mạch lực

Hình 10. Sơ đồ mạch lực

Tính toán chọn thiết bị: Thông số của tải: + Van IGBT chịu điện áp E = 240V + Điện trở tải: R = 10 Ω + Điện cảm tải: L = 0,04 H Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E Dòng tiêu thụ từ nguồn E có trị số: 2 E 3..L 1  a 2 I E  . .(1  . ) 3 R 2 .R 1  a  a 2

ae

  . R     3. . L 

Với

Suy ra:

e

 10     3.314.0,04 

 0.434

2 220  3.314.0, 04 1  a 2  IE  . . 1  .   5.2 A 3 10  2 .10 1  a  a 2 

Chọn van IGBT mã FB6R06VL4 Ucemax= 600V Ic= 6A 11

Ucc= 1.95V

Hình 11. Van IGBT thực tế

12

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển Để thực hiện phương pháp PWM hợp lý nhất là sử dụng kĩ thuật số, nhất là khi tần số ra phải thay đổi trong phạm vi rộng, lúc đó mạch điều khiển được đồng bộ hóa nhờ xung nhịp chung cho toàn hệ thống và các chức năng điều khiển thực hiện đơn giản hơn bằng chương trình phần mềm. Tuy nhiên đây là vấn đề lớn và không thể trình bày chi tiết trong khuôn khổ có hạn của bài viết. Vì vậy dưới đây chỉ đề cập nguyên lý PWM sử dụng kỹ thuật tương tự và hạn chế ở nghịch lưu với tần số ra không đổi để làm rõ nguyên tắc điều khiển chung. Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch SPWM hai cực tính có dạng như hình

Hình 12. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu độc lập kiểu SPWM Dao động hình sin với tần số bằng tần số ra sẽ tạo xung đồng bộ cho khâu tạo xung tam giác hai cực tính, điều này là cần thiết để trán hiện tượng trôi pha của điện áp ra, Để thay đổi hệ số điều chế biên độ “ ma ” thường tác động vào biên độ xung tam giác do dễ điều chỉnh hơn, biên dộ dao động hình sin khó điều chỉnh trực tiếp vì dễ gây ảnh hưởng đến điều kiện dao động. Tuy nhiên có cách đơn giản để điều chỉnh “ ma ” bằng cách sử dụng khâu so sánh có tổng trở vào lớn, lúc đó có thể dùng biến trở trích áp để thay đổi mức điện áp đưa vào so sánh có tổng trở vào lớn, lúc đó có thể dùng biến trở trích áp để thay đổi mức điện áp đưa vào so sánh. Các khâu so sánh trễ và khuyếch đại xung không có gì thay đổi so với mạch điều khiển kinh điển. Hình 12 là thí dụ về mạch điều khiển nghịch lưu độc lập điện áp theo phương pháp SPWM trong đó: 13

+) Mạch dao động hình sin dùng sơ đồ cầu Viên có tần số ra  = 1/RC, tuy nhiên mạch đơn giản như vậy thường hoạt động không ổn định, trong thực tế mạch phức tạp hơn vì phải giải quyết các vấn đề tự động ổn định tần số và biên độ điện áp ra. +) Khâu tạo xung tam giác là mạch chuẩn (xem mục 3.4.2.2) có gài công tắc điện từ “sw” được điều khiển bởi xung đồng bộ xuất hiện vào đầu mỗi chu kỳ của điện áp hình sin. +) Khâu so sánh giữa hai điện áp hình sin và tam giác sẽ cho ở đầu ra điện áp PWM để điều khiển các va lực. +) Hệ số điều chế biên độ điều chỉnh nhờ biến trở PI. +) Các khâu tạo trễ và các Driver đã được đề cập ở phần băm xung một chiều.

Nghịch lưu áp ba pha thường được dùng chủ yếu với điều biến bề rộng xung, bảo đảm điện áp ra có dạng hình sin. Để đảm bảo điện áp ra có dạng không phụ thuộc vào tải người ta thường dùng điều biến độ rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập với nhau.

14

Vấn đề chính trong điều biến bề rộng xung ba pha là phải có ba pha sóng sin chuẩn có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau chính xác 120 độ trong toàn bộ giải điều chỉnh. Cần phải đảm bảo dạng xung điều khiển ra đối xứng và khoảng dẫn của mỗi khóa bán dẫn phải được xác định chính xác. Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản: Sóng mang URC( carrier signal) có tần số cao Sóng điều khiển UĐK( reference signal) hoặc sóng điều chế dạng sin Sóng mang có thể ở dạng tam giác. Tuy nhiên tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng cắt tăng Sóng điều khiển Uđk mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng của tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. 3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa

15

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng PSIM 4.1.1. Những nét cơ bản về phần mềm Psim PSIM là viết tắt của: POWER Electronics Simulation Phần mềm mô phỏng điện tử công suất PESIM của hãng Lab- Volt là một công cụ mạnh cho việc nghiên cứu và học tập điện tử công suất Trong phần mềm Psim gồm có ba phần + Chương trình thiết kế mạch: Schematic + Chương trình mô phỏng: Simulator + Chương trình phân tích: ViewSim Một mạch điện thông thường gồm có các phần sau tương đương với hai khối: + Khối mạch động lực + Khối mạch điều khiển Mạch động lực là các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC công suất, các máy biến áp điện lực, cuộn kháng san bằng. Mạch điều khiển bao gồm các phần tử được thể hiện theo sơ đồ khối, bao gồm các phấn từ tuyến tính, phi tuyến tính, các mạch logic… Các cảm biến sẽ đo thông số mạch lực để cung cấp cho mạch điều khiển. mạch điều khiển thông qua khối điều khiển chuyển mạch sẽ cấp tín hiệu điều khiển chuyển mạch của các van bán dẫn mạch động lực 4.2. Các linh kiện sử dụng cho việc mô phỏng mạch nghịch lưu ba pha sử dụng điều chế bề rộng xung PWM: 1. Nguồn ba pha hình sin.

2. Khối so sánh

16

4. Van IGBT

5.Điện trở

6.Cuộn cảm

7.Nguồn phát xung rang cưa

4.3. Mô phỏng

17

4.4. Kết quả 4.4.1. Sóng sin và sóng răng cưa

18

4.4.2. Dòng tải các pha A, B, C

4.4.3. Điện áp điều khiển

4.4.4. Điện áp tải các pha

19

20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.

Sách “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” tác giả Phạm Quốc Hải, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.

2.

Sách “Điện tử công suất”, tác giả Võ Minh Chính, Trần Trọng Minh, Phạm Quốc Hải.

21