Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 21

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 21

Tải bản đầy đủ - 0trang

4.2.2 Tính tốn xung tam giác 2 cực tính



22



Hình 4.1 sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cực tính



23



4.2.3 Tính tốn mạch tạo xung đồng bộ

Hình 4.2: sơ đồ tạo xung đồng bộ



4.2.4 Điều kiện nguyên lý hoạt động sơ đồ cầu Wien



23

24

24

25



Hình 4.3 sơ đồ cầu Wien



Chương 5: Mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm mô phỏng



26



5.1: Một số phần mềm mô phỏng điện tử công suất



26



5.1.1: Phần mềm TINA



26



5.1.2: phần mềm PSIM



27



5.2: Mơ phỏng mạch lực



27



Hình 5.1: sơ đồ mạch lực



27



Hình 5.2: đồ thị nghịch lưu độc lập dùng phương pháp SPWM



5.3 Mơ phỏng mạch điều khiển



28

29



Hình 5.3 sơ đồ mạch điều khiển



29



Hình 5.4 đồ thị mơ phỏng mạch dao động hình sin



30



Hình 5.5: đồ thị xung tam giác



30



KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO



31

32



Chương 1: Giới thiệu chung.



Nhóm 7



Page 4



1. 1. Khái niệm chung về nghịch lưu độc lập (NLĐL)

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (còn gọi là

bộ biến đổi DC-AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập.

Nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu nguồn cung cấp có các tham số như điện áp, tần số

có thể thay đổi được trong một phạm vi rộng.

Trong thực tế, các bộ biến tần được hợp thành bởi các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập

để biến nguồn điện có các thông số không thay đổi được thành nguồn điện có các thơng số

thay đổi được, đáp ứng mọi u cầu của phụ tải.

NLĐL được phân loại thành :

 NLĐL nguồn áp.

 NLĐL nguồn dòng.

 NL cộng hưởng.



1.2. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng

Sử dụng một nguồn điện với nội trở vơ cùng lớn, dòng điện ra là khơng đổi, khơng 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 hồn 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 hồn tồn V1, V2, V3, V4 và các điơt 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 cơng 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:



Nhóm 7



Page 5



 San bằng điện áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu.

 Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điơt ngược.



Hình 1.1 Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha

Nếu khơng có tụ Co, hoặc tụ Co q nhỏ sẽ khơng 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 điơt ngược có vai trò giúp cho q

trình trao đổi cơng 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.



Nhóm 7



Page 6



 Điều chỉnh vơ 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)



Nhóm 7



Page 7



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 khơng thể đạt giá trị U/R mà phải mất 1



Nhóm 7



Page 8



khoảng thời gian



 Khi tần số nguồn F



( tunr on time) để các điện tích đa số đồng loạt di động,



cỡ



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 cơng 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.



Nhóm 7



Page 9



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 khơng có đòi hỏi về dạng áp ra hình sin sẽ khơng 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 khơng

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 khơng 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 khơng có khả năng làm việc ở tần số cao

như GTO, IGBT hay thyristor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức).



Nhóm 7



Page 10



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.



Nhóm 7



Page 11



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 vng, 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



Nhóm 7



Page 12



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 khơng 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

khơng lớn hơn xung tam giác.

Q 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



Nhóm 7



Page 13



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 khơng 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



Nhóm 7



Page 14



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 21

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×