Đồ án Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5KW

Đồ ỏn: Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5KW  Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 1 Lời mở đầu Nhiệm vụ của một sinh viên tr−ớc khi ra tr−ờng lμ phải thực hiện vμ bảo vệ thμnh công đồ án tốt nghiệp của mình. Đây lμ b−ớc cuối cùng để một ng−ời sinh viên trở thμnh một kỹ s−, kết thúc một chặng đ−ờng học tập vμ rèn luyện d−ới mái tr−ờng đại học. Giờ đây, trải qua năm năm tu d−ỡng vμ trau đồi kiến thức d−ới mái Tr−ờng đại học Bách khoa Hμ Nội, em đã nhận đ−ợc nhiệm vụ đề tμi tốt nghiệp của mình. Nội dung của đề tμi:” Thiết kế bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung - PWM công suất 5 kW”. Trong đề tμi bao gồm hai phần; Thiết kế bộ nghịch l−u vμ mô phỏng bộ nghịch l−u bằng phần mềm PESIM. D−ới sự h−ớng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Thế Công vμ các thầy cô trong bộ môn, em đã hoμn thμnh đ−ợc phần thiết kế bộ nghịch l−u. D−ới sự giúp đỡ của thầy giáo Trần Quốc Thắng, em đã hoμn thμnh đ−ợc phần mô phỏng bằng phần mềm PESIM. Do thời gian vμ trình độ còn hạn chế nên đề tμi của em chắc còn nhiều thiếu sót. Rất mong các thầy cô chỉ bảo trong buổi bảo vệ để em rút ra đ−ợc những kinh nghiệm cho công việc sau nμy. Qua đây, em xin chân thμnh cảm ơn các thầy cô giáo Bách Khoa đã dìu dắt em trong năm năm học vừa qua. Em xin trân thμnh cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa Điện, Đại học Bách khoa Hμ Nội, đã trực tiếp dạy dỗ vμ trang bị cho em những kiến thức kỹ năng chuyên nghμnh bổ ích. Em vô cùng biết ơn thầy giáo Nguyễn Thế Công lμ ng−ời đã trực tiếp vμ tận tình h−ớng dẫn em hoμn thμnh đồ án tốt nghiệp nμy. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trần Quốc Thắng, ng−ời đã tận tình giúp đỡ để em có điều kiện hoμn thμnh phần mô phỏng của mình trên phần mềm PESIM. Sẽ trở thμnh một cán bộ kỹ thuật, em luôn tự nhủ phải không ngừng học tập trau dồi kiến thức vμ kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vμo những công việc thực tế, để xứng đáng với danh hiệu kỹ s− tốt nghiệp từ Tr−ờng Đại học Bách khoa Hμ Nội. Hμ Nội, tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện: Hoμng Ngọc Tuân Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 2 mục lục ch−ơng 1: tổng quan về các bộ nghịch l−u ...................................................5 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u............................................................................5 2. Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch l−u ...........................................................6 2.1. Bộ nghịch l−u trực tiếp .................................................................................6 2.1.1. Nguyên lý lμm việc của bộ nghịch l−u trực tiếp....................................7 2.1.2. Sự lμm việc của nhóm bị khoá ...............................................................8 2.1.3 Sự lμm việc có dòng điện vòng .............................................................10 2.1.4. Luật điều khiển nghịch l−u trực tiếp....................................................13 2.2.Bộ nghịch l−u gián tiếp ...............................................................................13 2.2.1.Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch l−u gián tiếp................................14 2.2.2. Bộ nghịch l−u nguồn dòng điện - chỉnh l−u có điều khiển..................15 2.2.2.1.Bộ nghịch l−u một pha ...................................................................15 2.2.2.2. Bộ nghịch l−u ba pha.....................................................................16 2.2.3. Bộ nghịch l−u nguồn điện áp chỉnh l−u có điều khiển .......................19 2.2.3.1. Bộ nghịchl−u một pha ...................................................................19 a.Sơ đồ nghịch l−u một pha có điểm giữa...............................................19 b. Mạch nghịch l−u nửa cầu....................................................................22 c.Mạch nghịch l−u cầu............................................................................22 2.2.3.2. Bộ nghịch l−u ba pha.....................................................................24 2.2.3. Bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung -chỉnh l−u không điều khiển 28 ch−ơng II: bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung ......................................29 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung ...................................29 2. Nguyên lý hoạt động của PWM .......................................................................30 3. Định l−ợng PWM .............................................................................................33 3.1. Sin hoá PWM .............................................................................................34 3.2. T−ơng quan tần số ......................................................................................36 3.3. Ph−ơng thức loại trừ sóng hμi.....................................................................37 3.4. Ph−ơng thức dạng sóng dòng điện nhỏ nhất ..............................................40 3.4. Điều khiển thích nghi dòng điện PWM .....................................................43 Ch−ơng 3: Thiết kế mạch động lực ..................................................................45 1.Đề xuất ph−ơng án.............................................................................................45 1.1. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM đơn cực.....................................................45 1.2. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM l−ỡng cực .................................................47 1.3 So sánh hai ph−ơng pháp nghịch l−u...........................................................48 1.3.1.Ph−ơng pháp PWM dơn cực .................................................................48 1.3.2. Ph−ơng pháp PWM l−ỡng cực .............................................................48 1.3.3. Chọn ph−ơng án nghịch l−u .................................................................49 1.4. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt vμ dạng mạch động lực ............................49 1.4.1. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt ............................................................49 1.4.2. Sơ đồ mạch động lực............................................................................52 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 3 2. Tính toán thông số mạch động lực ...................................................................55 2.1. Chọn hệ số điều biến tần số .......................................................................55 2.2. Chọn hệ số điều biến biên độ .....................................................................56 2.3. Phân tích điện áp đầu ra khi ma < 1 ...........................................................57 2.4. Tính toán chọn van đóng cắt ......................................................................59 2.4.1. Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT ..................................59 2.4.2. Loại trừ sóng hμi bậc cao.....................................................................60 2.4.3. Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch l−u ............................................62 2.4.3.1. Thiết kế bộ lọc cho chế độ cực đại của tần số...............................62 2.4.3.2. Thiết kế bộ lọc cho chế độ tần số cực tiểu ....................................64 2.4.4. Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT.......................................65 2.4.5. Tính toán dòng điện cung cấp cho mạch nghịch l−u...........................70 2.5. Thiết kế cuộn kháng lọc sau mạch nghịch l−u...........................................72 2.6. Chọn diode chỉnh l−u vμ tụ lọc nguồn .......................................................77 2.6.1. Chọn diode chỉnh l−u...........................................................................77 2.6.2. Chọn tụ lọc nguồn................................................................................78 2.7. Thiết kế máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh l−u .........................................81 2.7.1. Tính sơ bộ kích th−ớc mạch từ ............................................................82 2.7.2. Tính toán dây quấn ..............................................................................82 2.7.3. Kết cấu dây quấn sơ cấp ......................................................................83 2.7.4. Kết cấu cuộn dây thứ cấp.....................................................................85 2.7.5. Tính toán kích th−ớc mạch từ ..............................................................85 2.7.6. Tính khối l−ợng sắt vμ đồng ................................................................88 2.7.7. Tính các thông số của máy biến áp .....................................................89 Ch−ơng 4: Thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi Mô phỏng mạch nghịch l−u bằng pesim ................................... 91 A. Giới thiệu về phần mềm pesim....................................................................91 B. thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi.........................................95 4.1. Những vấn đề chung về mạch điều khiển vμ mạch phản hồi .....................95 4.1.1. Mạch đặt tần số....................................................................................96 4.1.2. Mạch đặt dòng điện .............................................................................99 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều chỉnh dòng điện vμ đặt tần số .........................102 C. kết quả mô phỏng bằng pesim ................................................................106 4.4. Xác định dải tần hoạt động của lọc..........................................................106 4.4.1. Thμnh phần sóng hμi ở dải tần 500 Hz ..............................................107 4.4.2. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 400Hz.................................................110 4.4.3. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 300 Hz................................................111 4.4.4. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 200 Hz................................................114 4.4.5. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 100 Hz.............................................117 4.4.6. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 50 Hz...............................................121 4.4.7. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 10 Hz...............................................123 D. chọn vμ hiệu chỉnh mạch phản hồi dòng điện ...................................125 4.5. Đề xuất mạch phản hồi dòng điện ...........................................................125 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 4 4.6. Kết quả mô phỏng mạch kín ....................................................................128 4.6.1. Khảo sát ổn định dòng khi tần số thay đổi. .......................................128 4.6.2. Khi tải bộ nghịch l−u thay đổi ...........................................................132 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 5 ch−ơng 1 tổng quan về các bộ nghịch l−u 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u Điều khiển động cơ điện lμ một trong những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế truyền động điện. Động cơ điện đ−ợc thiết kế luôn luôn có một tần số vμ điện áp định mức. ở tần số vμ điện áp định mức, động cơ vận hμnh với hiệu suất thiết kế vμ tổn hao trong động cơ lμ nhỏ nhất, đem lại giá trị kinh tế lớn nhất. Khi vận hμnh ở các trị số định mức thì khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ lμ rất thấp vì khi đó động cơ không cho phép thay đổi quá nhiều do khả năng phát nóng của máy. Trong truyền động điện thì yêu cầu điều chỉnh tốc độ th−ờng xuyên đ−ợc đặt ra vμ ngμy cμng yêu cầu độ chính xác trong điều khiển. Khi muốn điều chỉnh tốc độ ngoμi định mức thì một số thông số của động cơ phải thay đổi để đảm bảo điều khiện vận hμnh lâu dμi. Ph−ơng pháp đ−ợc ứng dụng đầu tiên lμ điều khiển điện áp đặt vμo động cơ vμ cố định tần số của dòng điện bằng điện áp l−ới. Ph−ơng pháp nμy tỏ ra hiệu quả với những động cơ công suất lớn vμ khả năng điều chỉnh tốc độ không cao, khi đó điện áp động cơ thay đổi không quá lớn so với định mức. Một số ph−ơng pháp thông th−ờng để thay đổi điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc áp dụng trong điều khiển tốc độ động cơ: + Đặt điện áp hình sin trị số thấp hơn định mức vμo động cơ: Phần điện áp chênh lệch giữa điện áp l−ới vμ điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc đặt lên một thiết bị tiêu tán, thông th−ờng lμ cuộn kháng. Ưu điểm của ph−ơng pháp nμy lμ điện áp đặt lên động cơ hình sin do vậy không tồn tại sóng hμi trong động cơ, không gây ra tiếng ồn. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp nμy lμ gây ra tổn hao trong cuộn kháng, khi yêu cầu tốc độ cμng thấp hơn so với định mức thì tổn hao nμy cμng lớn. + Đặt một điện áp không sin thấp hơn định mức lên động cơ: Ph−ơng pháp nμy gọi lμ điều áp xoay chiều. Quá trình thay đổi điện áp đặt lên động cơ đ−ợc thực hiện bằng cấp một điện áp không liên tục cho động cơ vμ khi đó điện áp hiệu dụng của động cơ thay đổi. Khi điện áp hiệu dụng của động cơ thay đổi thì tốc độ của động cơ thay đổi theo, khi đó ta điều khiển đ−ợc tốc độ động cơ. Ưu điểm chính của ph−ơng pháp nμy lμ không gây tổn hao trên thiết bị dùng để tiêu tán phần điện áp chênh lệch giữa điện áp l−ới vμ điện áp đặt lên động cơ. Nh−ợc điểm chính của ph−ơng pháp nμy lμ tăng tổn hao trong động cơ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 6 Khi dòng điện không liên tục sẽ gây ra sóng hμi trong động cơ, những sóng hμi nμy sẽ gây ra tổn hao trong động cơ tăng. Khi tốc độ yêu cầu thấp hơn định mức cμng nhiều thì tổn hao trong động cơ cμng tăng. ở tốc độ gần không thì gần nh− không điều khiển đ−ợc do tổn hao sóng hμi trong động cơ quá lớn. Từ hai ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ ở trên ta thấy: Khi động cơ yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ lớn, đặc biệt khi yêu cầu điều chỉnh ở tốc độ thi hai ph−ơng pháp trên gần nh− hoμn toμn không đáp ứng đ−ợc do tổn hao tăng vμ hiệu quả kinh tế thấp. Chính vì vậy ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ ở tần số định mức không đáp ứng đ−ợc với những truyền động điện yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Một ph−ơng pháp khác đ−ợc đ−a ra để điểu khiển tốc độ động cơ đạt hiệu quả cao vμ kinh tế lμ điều khiển cả tần số vμ điện áp đặt vμo động cơ. Điện áp l−ới không đặt trực tiếp vμo động cơ mμ gián tiếp qua một thiết bị biến đổi, thiết bị biến đổi nμy sẽ thay đổi tần số vμ điện áp của động cơ để đạt đ−ợc giá trị mong muốn của tốc độ. Thiết bị thay đổi tần số vμ điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc gọi với tên gọi chung lμ bộ nghịch l−u. Bộ nghịch l−u sẽ đ−a động cơ hoạt động từ thông số định mức nμy sang thông số định mức khác để đảm bảo điều chỉnh tốc độ chính xác vμ giảm tổn hao đem lại hiệu quả kinh tế cao. Bộ nghịch l−u thông th−ờng đ−ợc chia ra lμm hai loại chính: + Bộ nghịch l−u gián tiếp: Điện áp l−ới tần số công nghiệp đ−ợc biến đổi trực tiếp thμnh tần số khác tần số l−ới vμ cung cấp cho động cơ. Tần số ra của bộ nghịch l−u thấp hơn tần số l−ới. + Bộ nghịch l−u gián tiếp: Điện áp l−ới tr−ớc khi cung cấp cho tải đ−ợc chỉnh l−u thμnh điện áp một chiều, điện áp một chiều sau đó đ−ợc biến đổi thμnh điện áp xoay chiều cung cấp cho tải. Tần số ra của bộ nghịch l−u có thể biến đổi từ 0 đến tần số định mức của bộ nghịch l−u. 2. Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch l−u 2.1. Bộ nghịch l−u trực tiếp Bộ nghịch l−u trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch song song nối ng−ợc nh− hình vẽ ( hình 1.1). Trên đồ thị dạng sóng của bộ nghịch l−u ta thấy công suất tức thời của bộ nghịch l−u bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp vμ dòng điện của bộ nghịch l−u d−ơng, bộ nghịch l−u lấy công suất từ l−ới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp vμ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 7 dòng điện trong bộ nghịch l−u âm nên bộ nghịch l−u biến đổi cung cấp lại công suất cho l−ới. 2.1.1. Nguyên lý lμm việc của bộ nghịch l−u trực tiếp Để thấy đ−ợc nguyên lý hoạt động, ta xét mạch hoạt động của mạch nghịch l−u hình vẽ (hình 1.2a). Đầu vμo của bộ nghịch l−u lμ điện áp xoay chiều một pha, đầu ra lμ một phụ tải một pha thuần trở. Nhóm chuyển mạch nối theo sơ đồ hai pha nửa chu kì. Nhóm chuyển mạch d−ơng đ−ợc kí hiệu bằng chữ P (Position), nhóm âm kí hiệu bằng chữ N (Negative). Dạng sóng dòng điện đ−ợc vẽ nh− hình 1.2b, cụm P chỉ dẫn trong năm nủa chu kì của điện áp, các thyristor đ−ợc mồi không có trễ, điều đó có nghĩa lμ coi P nh− lμ bộ chỉnh l−u diode. Trong năm nửa chu kì sau chỉ có nhóm N dẫn để tổng hợp ra phần điệp áp âm của nửa chu kì điện áp ra. Theo dạng sóng của điện áp biểu diễn trên hình 1.2b thì tần số điện áp ra bằng 1/5 tần số điện áp vμo. Dạng sóng điện áp nμy gần với dạng của sóng điện áp hình chữ nhật vμ có chứa một số l−ợng khá lớn các thμnh phần song hμi. Hình 1.2c biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn vμ dòng điện của nguồn cấp.Ta thấy dòng điện chảy qua van bán dẫn lμ 1/2 sóng hình sin còn dòng điện nguồn cấp lμ hoμn toμn sin. Việc điều khiển các van bán dẫn nh− trên không mang lại hiệu quả cao trong điều khiển, sóng điện áp ra có độ sin không cao. Muốn sóng ra có dạng sin cao phải điều khiển thay đổi khoảng dẫn của các van thay đổi theo một qui luật nhất định. Hình 1.2d biểu gần đúng một sóng hình sin đ−ợc tổng hợp bằng cách điều khiển các thời điểm mồi các thyristor. Ph−ơng pháp nμy cùng với việc điều chỉnh pha lμm giảm các điều hoμ bậc cao của dạng sóng điện áp đầu ra so với dạng sóng điện áp cho tr−ớc. Theo các dạng sóng của dòng điện trên hình 1.2e dòng điện ra mang nhiều thμnh phần đập mạch ứng với tần số nguồn, dòng điện của mạch bị biến dạng nhiều. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 8 Hình 1.1 Bộ nghịch l−u trực tiếp tổng quát 2.1.2. Sự lμm việc của nhóm bị khoá Tronh hình 1.1 vμ 1.2, nếu các van bán dẫn của nhóm P vμ N cùng dẫn sẽ gây ra ngắn mạch nguồn cung cấp. Để tránh hiện t−ợng nμy thông th−ờng ta đặt một cuộn cảm san bằng giữa các nhóm, mục đích chính lμ hạn chế dòng điện vòng hay cần điều khiển sao cho một nhóm không thể dẫn khi nhóm kia còn dẫn. Sự lμm việc không có dòng điện vòng đòi hỏi cấm mồi nhóm nμy khi nhóm kia còn đang dẫn. Sơ đồ chỉ số đập mạch bậc ba đ−ợc biểu diễn trên hình 1.3. Điện áp ra hình sin mong muốn đ−ợc biểu diễn ở một tần số sao cho chu kì ra nhỏ hơn năm chu kì một chút. Các van bán dẫn đ−ợc mồi với góc mở sao cho sóng cơ bản gần sin nhất có thể. Tải lμ một điện trở thuần tuý, điện áp thu đ−ợc bằng 0 trong từng khoảng nhỏ. Với tải điện cảm thì số l−ợng các khoảng điện áp bằng không nμy nhỏ vμ nếu điện cảm đủ lớn thì sẽ không tồn tại khoảng điện áp nμy. Dạng sóng của điện áp âm sẽ có sự sai khác so với nhóm điện áp d−ơng, nguyên nhân chủ yếu lμ do dạng sóng điện áp ra không lμ số nguyên lần sóng đầu vμo. Các chu kì ra liên tiếp bắt đầu ở các thời điểm khác nhau của điện áp vμo. Dòng điện nguồn th−ờng mất đối xứng nghiêm trọng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 9 Hình 1.2 : Sơ đồ nghịch l−u điểm giữa vμ các dạng sóng Trong nghịch l−u mục tiêu của mọi ph−ơng pháp nghịch l−u lμ tạo ra điện áp ra cμng gần điện áp hình sin cμng tốt vì khi đó tổn hao trong động cơ nhỏ nhất vμ độ chính xác cũng nh− chất l−ợng điều khiển đ−ợc nâng cao. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 10 Hình 1.3 : Nghịch l−u trực tiếp có chỉ số đập mạch bậc ba cấp điện cho tải một pha Trong ph−ơng pháp nghịch l−u nμy, muốn có đ−ợc điện áp gần sin nhất có thể thì các thyristor phải đ−ợc mồi với các góc khác nhau để tạ ra điện áp gần sin nhất, khi tải mang tính cảm thì các van sẽ có giai đoạn lμm việc ở chế độ nghịch l−u trả năng l−ợng về l−ới, giai đoạn nμy t−ơng đ−ơng với giai đoạn chỉnh l−u với nguồn lμ điện áp tải. Trong tr−ờng hợp lý t−ởng thì quá trình chuyển mạch giữa các van lμ tức thời vμ do vậy không có thời gian quá độ chuyển mạch. Nh−ng trong thực tế thì quá trình đóng cắt của các van không hoμn toμn tức thời, các van cần một thời gian nhất định để khoá hoμn toμn vμ cần một khoảng thời gian nhất định để dẫn hoμn toμn. Khoảng thời gian để các van dẫn vμ khoá hoμn toμn phụ thuộc vμo chủng loại vμ đặc tính của van cũng nh− hãng sản xuất. Điện áp ra của bộ nghịch l−u có thể đ−ợc điều chỉnh bằng điều chỉnh góc mở chậm của van nh− hình 1.6. Việc kích mở chậm các van, đặc biệt lμ ở đỉnh điện áp ra, cho phép điều chỉnh biên độ của sóng điện áp đầu ra. Việc điều chỉnh điện áp bằng thay đổi góc mở chậm của van sẽ gây ra nhiều thμnh phần sóng hμi bậc cao trong mạch. Thμnh phần sóng hμi nμy cμng lớn khi điện áp ra thấp vμ tần số điện áp ra thấp. 2.1.3 Sự lμm việc có dòng điện vòng Trong mục trên ta xét bộ nghịch l−u với sự lμm việc của hai nhóm chuyển mạch âm vμ d−ơng, hai nhóm nμy lμm việc luân phiên vμ không bao giờ có hai nhóm cùng dẫn đồng thời. Quá trình lμm việc nh− vậy sẽ gây phức tạp cho mạch điều khiển vμ không linh động. Sơ đồ có thêm cuộn kháng cân bằng cho phép Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 11 nh− hình vẽ (hình 1.6) cho phép cả hai nhóm van cùng dẫn một lúc. Cuộn kháng giúp hạn chế dòng điện iC chảy qua van. Hình 1.6 : Nghịch l−u trực tiếp có chỉ số đập mạch bậc ba có cuộn kháng cân bằng Trong quá trình vận hμnh thì mỗi nhóm dẫn th−ờng xuyên ở chế độ nghịch l−u hay chỉnh l−u. Điện áp cung cấp cho tải lμ giá trị trung bình điện áp của hai nhóm P vμ N. Việc phối hợp hoạt động của hai nhóm có thể loại đ−ợc một phần sóng hμi bậc cao trong mạch. Sóng hình sin cơ bản của điện áp ra lμ tổng hợp điện áp của hai nhóm tạo ra. Điện áp tức thời trên cuộn kháng cân bằng lμ hiệu số điện áp trên hai nhóm, hay nói cách khác, cuộn kháng gánh phần điện áp chênh lệch giữa hai nhóm. Dòng điện vòng chỉ có thể chảy theo một chiều do các thyristor chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều. Dòng điện chảy trong các nhóm đ−ợc biểu diễn nh− hình vẽ (hình 1.7). Khi bỏ qua sụt áp trên các phần tử thì điện áp ra của hai nhóm có dạng giống nhau nh−ng ng−ợc pha nhau nh− hình 1.7a. Nh− vậy lμ điện áp ra không tạo ra bất kì thμnh phần dòng điện vòng nμo. Khi một nhóm bắt đầu dẫn (chẳng hạn nhóm P), điện áp cảm ứng trong cuộn dây do dòng chảy qua P lμ iP tạo ra tăng lên, điện áp nμy xuất hiện trong mạch của nhóm N vμ có cực tính ng−ợc với cực tính của thyristor nên có xu h−ớng ngăn cản dòng iN (dòng chảy qua nhóm N) chảy. Điện áp ng−ợc cảm ứng trong cuộn dây sinh ra do iP giảm sẽ có xu h−ớng lμm tăng dòng iN. Nói một cách khác, cuộn cảm có vai trò giữ cho năng l−ợng từ tr−ờng trong nố không đổi, do vậy khi iP giảm thì iN tăng lên cùng một tốc độ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 12 Trong nửa chu kì âm dòng iP giảm đến 0 vμ dòng iN tăng lên giá trị cực đại. Do từ tr−ờng tích luỹ trong cuộn dây không thay đổi, do cuộn dây không có điện trở nên điện áp rơi trên cuộn dây bằng 0.Kết quả lμ dòng điện có dạng sóng nh− trong hình 1.8b, dòng điện trung bình của hai nhóm i = iP - iN có giá trị bằng 1/2 dòng điện phụ tải cực đại. Dòng điện vòng do điện áp đập mạch hình sin sinh ra bổ xung vμo thμh phần cơ bản của dòng điện ra. Hình 1.8: Sơ đồ nghịch l−u điểm giữa thay thế vμ đồ thị dòng điện vòng Dòng điện vòng duy trì trong các nhóm lμm tăng tải của van so với chế độ không có cuộn kháng cân bằng. Độ tăng thêm nμy đặc biệt lớn khi tải của bộ nghịch l−u có công suất lớn. Do vậy, chỉ sử dụng cuộn kháng cân bằng khi công suất của bộ nghịch l−u nhỏ, mục đích lμ để duy trì dạng sóng của dòng điện tải không bị gián đoạn để giảm thμnh phần sóng hμi. Khi công suất tải lớn các nhóm phải đ−ợc khoá lại để tránh dòng điện vòng. Mạch điều khiển đ−ợc thiết kế để có thể luôn luôn kiểm soát đ−ợc độ lớn của dòng điện vòng, mạch chỉ cho phép đ−a xung kích mở van khi dòng điện vòng nμy nhỏ để tránh quá tải van, nh−ng khi dòng điện vòng nμy lớn thi mạch điều khiển sẽ khoá một hay nhiều nhóm khác. Khi cuộn kháng bão hoμ ở trị số dòng điện lớn sẽ thuận lợi cho vận hμnh của mạch, do vậy cuộn kháng cân bằng có thể đ−ợc thiết kế với lõi thép nhỏ hơn để có thể bão hoμ khi dòng điện tăng cao. a) b) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 13 2.1.4. Luật điều khiển nghịch l−u trực tiếp Để thuận tiện trong việc xem xét luật điều khiển của một nhóm chỉnh l−u nghịch l−u ta gọi góc mở của một nhóm lμ α . Góc α phải đ−ợc điều khiển sao cho trị số điện áp ra trung bình trong từng khoảng của các nhóm hợp thμnh dạng sóng tức thời của nghịch l−u có dạng nh− mong muốn. Thông th−ờng trong các mạch điều khiển ta th−ờng điều kiển theo hμm arccos nên giá trị góc α phải biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian với chu kì điện áp ra của bộ nghịch l−u. Dạng sóng biểu diễn trong hình 1.8 đ−ợc vẽ trong tr−ờng hợp biên độ ra lớn nhất của điện áp ra có thể đạt đ−ợc. Cho nhóm d−ơng lμm việc để có điện áp ra cực đại , dạng sóng ứng điện áp ra ứng với góc mở bằng 0. Chuyển mạch tiếp theo phải thoả mãn một giá trị sao cho điện áp ra đạt giá trị nh− mong muốn. Các giao điểm của sóng sin chuẩn (dạng điện áp đầu ra nh− mong muốn) với các sóng cosin đ−ợc vẽ với cực đại tại các thời điểm góc mở bằng 0 xác định thời điểm kích mở các thyristor. Hình vẽ trên (Hình 1.8) biểu diễn đầu ra của nhóm d−ơng. Ta cần phải chú ý rằng trong chế độ chỉnh l−u góc mở của van bán dẫn nhỏ hơn 900(góc mở 1pα ) nh−ng trong chế độ nghịch l−u, trong nửa chu kì âm, góc mở phải lớn hơn 900 (góc mở 2pα ), góc 2pβ lμ góc mở v−ợt tr−ớc hay góc mở nhanh. Quá trình xác định hoạt động của nhóm âm đ−ợc tiến hμnh t−ơng tự. Trong quá trình mở van có thể tiến hμnh cho mở sớm hơn để quá trình chuyển mạch kết thúc sớm hơn. Để giảm điện áp đầu ra ta tiến hμh giảm biên độ của sóng sin chuẩn ở giá trị nh− mong muốn. Quá trình giảm điện áp ra đi liền với đó lμ thμnh phần sóng hμi trong dòng điện cũng tăng lên. Quá trình điều khiển bộ nghịch l−u trực tiếp lμ quá trình khá phức tạp. Sơ đồ mạch điều khiển đ−ợc trình bμy trên hình 1.9. Tín hiệu phát hiện có dòng điện vòng trong bộ biến đổi sẽ chuyển tín hiệu kích mở từ nhóm nμy sang nhóm khác để đảm bảo phải có một nhóm bị khoá. 2.2.Bộ nghịch l−u gián tiếp Bộ nghịch l−u trực tiếp có −u điểm lμ có thể đ−a ra một công suất khá lớn ở đầu ra nh−ng có một số nh−ợc điểm sau : + Chỉ có thể cho điện áp ra có tần số nhỏ hơn tần số điện áp l−ới. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 14 + Khó điều khiển khiển ở tần số nhỏ vì khi đó tổn hao sóng hμi trong động cơ khá lớn. + Độ tinh vμ độ chính xác trong điều khiển không cao. + Sóng điện áp đầu ra không thực sự gần sin. Chính vì những đặc điểm trên mμ một loại nghịch l−u khác đ−ợc đ−a ra để nâng cao chất l−ợng trong cung cấp nguồn đó lμ nghịch l−u gián tiếp. Bộ nghịch l−u gián tiếp cho phép khắc phục những nh−ợc điểm của bộ nghịch l−u trực tiếp ở trên. Trong bộ nghịch l−u gián tiếp thì tr−ớc khi đ−ợc nghịch l−u điện áp l−ới đ−ợc chỉnh l−u thμnh điện áp một chiều bằng bộ chỉnh l−u diode hoặc bộ chỉnh l−u có điều khiển. Điện áp một chiều đ−ợc qua một bộ lọc để cung cấp cho bộ nghịch l−u một nguồn điện áp một chiều t−ơng đối ổn định cho mạch nghịch l−u. Sơ đồ bộ nghịch l−u gián tiếp có sơ đồ khối nh− hình vẽ : Hình 1.10 : Sơ đồ khối bộ nghịch l−u gián tiếp 2.2.1.Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch l−u gián tiếp Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50/60 Hz) đ−ợc chỉnh l−u thμnh nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh l−u (CL) không điều khiển (chỉnh l−u diode) hoặc chỉnh l−u có điều khiển (chỉnh l−u thyristor), sau đó đ−ợc lọc vμ đ−ợc bộ nghịch l−u (NL) sẽ biến đổi thμnh điện áp xoay chiều có tần số thay đổi. Tuỳ thuộc vμo bộ chỉnh l−u vμ nghịch l−u nh− hình 1.10 mμ ta chia bộ nghịch l−u gián tiếp đ−ợc chia lμm ba loại : + Bộ nghịch l−u nguồn dòng điện, chỉnh l−u thyristor (hình 1.11a) + Bộ nghịch l−u nguồn điện áp, chỉnh l−u thyristor (hình 1.11b) + Bộ nghịch l−u nguồn áp điều biến độ rộng xung (PWM) (hình 1.11c) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 15 Hình 1.11 : Sơ đồ khối các bộ nghịch l−u gián tiếp 2.2.2. Bộ nghịch l−u nguồn dòng điện - chỉnh l−u có điều khiển 2.2.2.1.Bộ nghịch l−u một pha Điện áp xoay chiều đ−ợc chỉnh l−u thμnh một chiều nhờ bộ chỉnh l−u có điều khiển, th−ờng lμ thyristor, điện áp một chiều sau chỉnh l−u đ−ợc đ−a qua cuộn kháng lọc. Cuộn kháng lọc có tác dụng biến nguồn điện sau chỉnh l−u thμnh nguồn dòng để cung cấp cho mạch nghịch l−u. Đối với bộ nghịch l−u dòng điện cung cấp từ nguồn điện một chiều thực tế lμ không đổi, không phụ thuộc vμo hiện t−ợng của bộ nghịch l−u trong khoảng lμm việc tr−ớc đó. Trong thực tế thì bộ nghịch l−u nguồn dòng đ−ợc cung cấp bằng nguồn điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn (hình 1.12), điều đó cho phép lμm thay đổi điện áp của bộ nghịch l−u. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 16 Hình 1.12 : Bộ nghịch l−u nguồn dòng một pha Các biến thiên dòng điện đ−ợc cân bằng nhờ Ldi/dt. Nh−ng do di/dt nhỏ nên nguồn dòng trong thực tế không thay đổi trong thời gian ngắn. Chuyển mạch đơn giản nhất của bộ nghịch l−u có dòng điện không đổi chỉ cần có các tụ điện. Ta xét một mạch đơn giản có sơ đồ nh− hình 1.12a. Khi các thyristor T1 vμ T2 dẫn, các tụ điện tích điện d−ơng trên các bản cực trái. Việc kích mở các thyristor T3 vμ T4 lμm các tụ điện nối vμo các cực của thyristor T1 vμ T2 t−ơng ứng để khóa chúng lại. Bây dòng điện đi qua T3C1D1, qua tải sau đó qua D2C2T4 vμ về nguồn. Điện áp trên hai cực của tụ điện sẽ đảo chiều ở một số thời điểm nhất định phụ thuộc vμo điện áp của tải, các diode D3 vμ D4 bắt đầu dẫn. Dòng điện nguồn sau một thời gian ngắn sẽ chuyển từ D1 sang D3 vμ từ D4 sang D2. Cuối cùng các diođe D1 vμ D2 ngừng dẫn, khi dòng điện qua tăi hoμn toμn ng−ợc chiều. Điệp áp các tụ đổi chiều chuẩn bị cho nửa chu kì sau. Các diode vẽ trên hình 1.12 có tác dụng ngăn cách tụ điện với điện áp tải. Dòng điện tải hình chữ nhật nếu ta bỏ qua quá trình chuyển mạch, điện áp ra có thμnh phần cơ bản hình sin nh−ng có đỉnh nhọn tại các điểm chuyển mạch. 2.2.2.2. Bộ nghịch l−u ba pha Sơ đồ mạch nghịch l−u ba pha có dạng nh− hình vẽ (Hình 1.13) : a) b) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 17 Hình 1.13 : Sơ đồ mạch nghịch l−u dòng điện điển hình Dòng điện cấp cho động cơ có dạng xung hình chữ nhật có biên độ không đổi nên sụt áp trên điện cảm tản của stator bằng không vμ sụt áp trên điện trở stator không đổi. Do đó điện áp trên hai cực của đông cơ đ−ợc tạo ra bởi tải, không phải do mạch nghịch l−u. Sơ đồ nối dây khi chuyển mạch vμ dạng dòng điện pha có dạng nh− hình 1.14. Trong thực tế mạch nghịch l−u dòng điện thuờng sử dụng các thyristor điều khiển không hoμn toμn có sơ đồ nguyên lý nh− hình 1.15. Dây quấn ba pha đ−ợc bố trí đối xứng, nên điện áp của động cơ có dạng gần với điện áp hình sin. Trong tr−ờng hợp lý t−ỏng thì dòng điện có dạng hình chữ nhật có biên độ không thay đổi. Nh−ng thực tế thì quá trình chuyển mạch của thyristor không phải lμ tức thời, các thyristor cần có thời gian để dẫn vμ khóa hoμn toμn, nên dạng sóng của dòng điện không phải lμ vuông hoμn toμn. Trong khoảng thời gian các van T1 vμ T6 dẫn dòng, dòng điện pha ia = - ib, các tụ chuyển mạch nạp điện có cực tính nh− hình vẽ. Khi có xung mở T2, T2 sẽ dẫn vμ T6 sẽ bị khoá do điện áp ng−ợc. Do tải có tính cảm, dòng điện Id không bị gián đoạn ngay mμ sẽ khép mạch qua D6 - C12 song song với mạch nối tiếp C46 - C42 - T2 nạp cho tụ C62, điện áp trên tụ C62 tăng tuyến tính cho đến khi dòng iC xuất hịên, bắt đầu chuyển dòng của D6 cho D2, tức lμ chuyển dòng từ pha a sang pha b.Kết thúc quá trình chuyển mạch khi ib = 0 vμ ic = Id vμ tụ C62 phân cực ng−ợc lại. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 18 Hình 1.14: Sơ đồ nối dây chuyển mạch vμ dạng dòng điện pha Một số −u điểm của nghịch l−u nguồn dòng : + Có khả năng v−ợt qua đ−ợc các sự cố chuyển mạch vμ tự phục hồi về trạng thái lμm việc bình th−ờng. + Có khả năng hãm tái sinh trả năng l−ợng về l−ới bằng đảo dấu cực tính của điện áp một chiều trong khi chiều dòng điện không đổi chiều. Vì vậy không cần yêu cầu thêm bộ chỉnh l−u đảo chiều điện áp. Sự lμm việc của động cơ khi độ tr−ợt âm sẽ tự động đảo dấu điện áp một chiều vì dòng điện một chiều lμ đại l−ợng đ−ợc điều khiển. Do đó trong bộ nghịch l−u nguồn dòng năng l−ợng sẽ đ−ợc tự động nghịch l−u trả về l−ới. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 19 Hình 1.15 : Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch l−u nguồn dòng Nh−ợc điểm của bộ nghịch l−u nguồn dòng : + Nh−ợc điểm chính của bộ nghịch l−u nguồn dòng lμ không thể lμm việc đ−ợc ở chế độ không tải. + Kích th−ớc của tụ điện vμ điện cảm lọc nguồn một chiều khá lớn. Các tụ chuyển mạch phải có trị số lớn cần thiết để thu nhận năng l−ợng của cuộn dây stator khi chuyển mạch. + Để đảm bảo năng l−ợng phản kháng tối thiểu thì động cơ phải đ−ợc thiết kế sao cho điện cảm tản nhỏ nhất. Điều nμy sẽ lμm tăng mức giá động cơ. 2.2.3. Bộ nghịch l−u nguồn điện áp chỉnh l−u có điều khiển 2.2.3.1. Bộ nghịchl−u một pha Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sau khi qua bộ chỉnh l−u có điều khiển đ−ợc tụ C lọc thμnh nguồn áp, cung cấp cho mạch nghịch l−u. a. Sơ đồ nghịch l−u một pha có điểm giữa Sơ đồ nghịch l−u một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý nh− hình 1.16. Nối điện áp một chiều vμo các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thyristor lμm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp có dạng hình chữ nhật cung cấp co động cơ.Tụ điện C có vai trò giúp các thyristor chuyển mạch.Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 20 Hình 1.16 : Sơ độ nghịch l−u môt pha có điểm giữa một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ng−ợc trở lại nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn. Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vμo một nửa cuộn dây sơ cấp. Điện áp tổng cộng 2E đ−ợc nạp cho tụ C. Mở thyristor tiếp theo sẽ lμm khoá thyristor tr−ớc, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ đ−ợc mắc song song. Trong tr−ờng hợp máy biến áp lμ lý t−ởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng. Trong thực tế, điện áp một chièu trên hai đầu dây quấn chỉ có thể đ−ợc duy trì bằng từ thông biến thiên, do đó cần có dòng điện từ hoá ban đầu. Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh đ−ợc phần nằm ngang của điện áp, nghĩa lμ kích mở một thyristor gần thời điểm dẫn của thyristor khác, lμm cho điện áp tải có trị số cực đại. Nếu tải không phải lμ tải điện trở thì Khi tải lμ điện cảm , dòng điện tải tăng lên rồi lại giảm. Khi thyristor T1 dẫn, dòng điện chảy từ c tới a, c d−ơng so với a vμ tải nhận đ−ợc dòng điện chảy từ c tới a. Khi thyristor T2 mở để đổi chiều điện áp ra thì thyristor T1 bị khoá, nh−ng dòng điện tải không thể đổi chiều đột ngột, dòng điện sơ cấp cũng không thay đổiđiện áp vμ dòng điện có sự lệch pha nhau. Sơ đồ đ−ợc trình bμy nh− hình 1.17. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 21 Hình 1.17 : Sự lμm việc với tải phản kháng Khi T1 bị khoá , chỉ có dòng điện chảy từ d đến c qua D2 nạp trở lại nguồn một chiều. Trong khi D2 dẫn, thyristor T2 bị khoá (cùng thời điểm chuyển mạch kết thúc), điện thế tại điểm d âm hơn so với c. Vì vậy công suất từ tải đ−ợc đ−a trở lại nguồn một chiều. Ta xét hình 1.17b : ở thời điểm t2 dòng điện tải triệt tiêu,diode D2 ngừng dẫn vμ thyristor T2 trở lại dẫn dòng, lμm ng−ợc chiều dòng điện tải, tải trở thμnh nguồn điện. Để đảm bảo thyristor T2 chắc chắn dẫn tại thời điểm t2, ta phải kích mở theo nguyên tắc chùm xung. Quá trình cũng diễn ra t−ơng tự cho thyristor T1. Ta có thể phối hợp các diode ở đầu bên phía sơ cấp của máy biến áp, nh−ng khi đó sẽ dẫn đến tổn hao năng l−ợng chuyển mạch trong cuộn dây lọc nguồn. Sự phối hợp các diode ở gần đầu dây quấn cho phép lấy lại năng l−ợng tích luỹ trong cuộn dây sau khi chuyển mạchvμ do vậy lμm giảm đ−ợc tổn hao trong mạch. Ta xét tải có tính điện dung. Dạng điện áp đ−ợc trình bμy đơn giản nh− hình 1.17c, dòng điện qua các diode tại các thời điểm t3 vμ t4 tr−ớc khi mở Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 22 thyristor lμm đổi chiều điện áp ra. Trong tr−ờng hợp tổng quát sóng điện áp vμ dòng điện không phải lμ sin hoμn toμn, ta chỉ xét sóng điện áp cơ bản trong tr−ờng hợp đơn giản. b. Mạch nghịch l−u nửa cầu Sơ đồ mạch nghịch l−u nửa cầu có dạng nh− hình vẽ (hình 1.18) Hình 1.18: Sơ đồ mạch nghịch l−u nửa cầu Tải của mạch nghịch l−u thông th−ờng mang tính cảm nên trong sơ đồ có thêm hai diode ng−ợc đấu song song với các Transistor t−ơng ứng, nhằm ngăn ngừa quá điện áp lớn xuất hiện trên các cực Transistor khi đóng cắt dòng tải. Quá trình dẫn của các van bán dẫn có thể thấy đơn giản qua qua đồ thị dòng điện vμ điện áp đầu ra của bộ nghịch l−u. Ưu điểm của sơ đồ lμ cấu trúc vμ điều kiển đơn giản, tốn ít van bán dẫn. Nh−ợc điểm của sơ đồ nμy lμ khả năng đáp ứng đ−ợc công suất lớn lμ không cao. c.Mạch nghịch l−u cầu Sơ đồ mạch nghịch l−u cầu có sơ độ động lực nh− hình vẽ (Hình 1.19) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 23 Hình 1.19 : Bộ nghịch l−u cầu một pha Nếu tải trong hình 1.19a lμ tải thuần trở, việc mồi lần l−ợt các thyristor T1, T2 vμ T3 , T4, điện áp một chiều sẽ đặt lên hai cực của tải theo hai chiều tạo nên sóng hình chữ nhật. Trong tr−ờng hợp tải điện cảm, dòng điện chậm pha hơn so với điện áp mặc dù dạng điện áp vẫn còn dạng hình chữ nhật. a) b) c) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 24 Dạng sóng biểu diễn trên hình 1.19c đ−ợc vẽ trong tr−ờng hợp tải mang tính chất điện cảm. Các thyristor đ−ợc mồi bằng xung chùm liên tục trong khoảng 1800 của điện áp ra của bộ nghịch l−u. Cuối nửa chu kì d−ơng của điện áp, dòng điện tải lμ d−ơng vμ tăng theo hμm số mũ, khi thyristor T3 vμ T4 đ−ợc mồi để khoá thyristor T1 vμ T2 thì điện áp đổi chiều, nh−ng dòng điện tải không đổi chiều. Mạch duy nhất để dòng điện tải chảy qua lμ qua các diode D3 vμ D4. Nguồn điện một chiều đ−ợc nối với tải theo điện áp ng−ợc với ban đầu vμ cung cấp nguồn cho tải, dòng điện tải tăng theo hμm mũ. Vì các thyristor yêu cầu phải đ−ợc mồi đúng lúc sau khi dòng điện tải triệt tiêu, nên cần phải đ−a một xung chùm vμo cực điều khiển trong khoảng 1800 dẫn của van. Từ nguồn một chiều điện áp cố định ta cũng có thể điều chỉnh điện áp ra chữ nhật có những khoảng điện áp bằng không (Hình 1.19c). Ta nhận đ−ợc điện áp hình chữ nhật bằng cách kích mở các thyristor T1 vμ T4 tr−ớc các thyristor T2 vμ T3.Trên hình 1.29c biểu diễn góc ϕ lμ góc v−ợt tr−ớc nμy.Hay nói cách khác chùm xung đ−a vμo T1 vμ T4 v−ợt tr−ớc một góc ϕ so với đ−a vμo T2 vμ T3 . Dạng sóng trên hình 1.19c, ở thời điểm thyristor T4 đ−ợc kích mở để khoá T1, dòng điện tải chảy qua diode D4 nh−ng vì thyristor T2 còn dẫn nên dòng tải chảy qua D4 vμ T2 lμm ngắn mạch tải vμ triệt tiêu điện áp trên tải. Khi thyristor T3 đ−ợc kích mở vμ thyristor T2 bị khoá thì dòng điện chảy qua diode D3 lμm đổi chiều điện áp nối với nguồn. Các thyristor T3 vμ T4 bắt đầu dẫn ngay khi dòng điện tải triệt tiêu. Các dòng điện qua thyristoe vμ diode không còn giống nhau nữa. Hình 1.20 ta có một cách khác dể nhận đ−ợc một sóng gần hình chữ nhật có bề rông thay đổi đ−ợc bằng cách phối hợp (cộng) các đầu ra lệch pha của hai bộ nghịch l−u sóng hình chữ nhật. Bộ nghịch l−u 2 lệch pha so với bộ nghịch l−u 1 một gócϕ tạo nên điện áp chung có khoảng điện áp bằng không có độ rộng bằng ϕ . Điện áp đầu ra có thể điều chỉnh đ−ợc bằng cách giảm điện áp một chiều đặt vμo bộ nghịch l−u. 2.2.3.2. Bộ nghịch l−u ba pha Mạch công suất của nghịch l−u cầu ba pha sử dụng Thyristor đ−ợc trình bμy ở hình vẽ ( Hình 1.20), trong đó quá trình chuyển mạch vμ quá độ đ−ợc bỏ qua trong tr−ờng hợp đơn giản. Dạng sóng điện áp đầu ra đ−ợc trình bμy ở hình 1.21 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 25 Hình 1.20 : Bộ nghịch l−u cầu ba pha Bộ nghịch l−u bao gồm ba nửa cầu, mỗi nửa cầu bao gồm hai Transistor cao vμ thấp, mỗi Transistor sẽ đóng cắt biến đổi trong khoảng thời gian 1800 . Mỗi nửa cầu đ−ợc dịch pha 1200 vμ dạng sóng cân bằng của ba pha đ−ợc trình bμy trong hình 1.21. Nguồn DC có trung tính giả, mục đích của trung tính giả lμ lμm thuận lợi cho ta khi xét dạng sóng đầu ra của bộ nghịch l−u, trong thực tế thì trung tính nμy không có thật. Điện áp DC có đ−ợc từ một chỉnh l−u cầu vμ một mạch lọc LC để có một nguồn áp t−ơng đối lý t−ởng. Dạng sóng của điện áp ra. Dạng sóng điện áp đầu ra của bộ nghịch l−u đ−ợc xác định bởi dạng của mạch điện vμ ph−ơng pháp đóng cắt mμ không phụ thuộc vμo dạng của tải. Dạng sóng ra nμy rất nhiều thμnh phần sóng hμi bậc cao, nh−ng dòng điện thi t−ơng đối bằng phẳng hơn, điều nμy có đ−ợc lμ do ảnh h−ởng hiệu ứng lọc của tải. Theo các dạng sóng trình bμy trên hình 1.21b đ−ợc vẽ trong tr−ờng hợp tải thuần trở. Dòng điện dây có dạng gần hình chũ nhật, mỗi thyristor dẫn 1/3 chu kì dòng điện tải. Ta coi thyristor chỉ lμ những khoá chuyển mạch, túc lμ ta bỏ qua quá độ trong các van bán dẫn.nguồn một chiều đ−ợc đóng mở trong sáu khoảng để tổng hợp nên đầu ra ba pha. Tần số đóng cắt của thyristor xác định tần số điện áp ra. Điện cảm của tải lμm thay đổi dạng sóng hình bậc thang của điện áp ra.Nguyên nhân chủ yếu lμ việc chuyển mạch của dòng điện tải trong các diode lμm duy trì các chuyển mạch (hình 1.21a) khép kín rong khoảng lớn hơn 1200. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 26 Hình 1.21 : Bộ nghịch l−u cầu ba pha vμ các dạng sóng Trong điều khiển thyristor thông th−ờng góc điều khiển đ−ợc chọn bằng 1800. Do vậy nguồn điện một chiều đ−ợc nối vμo tải qua một thyristor đến một trong hai cực vμ có hai thyristor nối song song vμ cực khác. Dạng sóng trên hình 1.22 biểu diễn qua trình dẫn trong vùng 1800, điện áp dây hình chữ nhật. Dòng điện tải có dạng hình bậc thang vμ mỗi thyristor dẫn 1800. a) b) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 27 Hình 1.22 : Bộ nghịch l−u cầu ba pha lμm việc trong vùng 1800 tải R vμ các dạng sóng Ưu điểm của bộ nghịch l−u nguồn áp - chỉnh l−u có điều khiển: Bộ nghịch l−u nguồn áp lμ bộ nghịch l−u khá thông dụng vμ bộ nghịch l−u loại nμy có một số −u điểm sau : + Điện áp vμ dòng điện ra đ−ợc điều biến gần sin hơn. + Điều chỉnh điện áp ra dễ dμng bằng điều chỉnh góc mở của chỉnh l−u vμ bằng điều chỉnh khoảng dẫn của thyristor. + Có khả năng lμm việc ở chế độ không tải + Do sử dụng các tụ lμm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch l−u loại nμy có kích th−ớc nhỏ gọn hơn nghịch l−u nguồn dòng.Không có tổn hao trong cuộn kháng lọc nguồn. Nh−ợc điểm của bộ nghịch l−u nguồn áp - chỉnh l−u có điều khiển: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 28 + Dòng điện vμ diện áp vẫn chứa nhiều thμnh phần sóng hμi tần số cơ bản. + Dễ bị ngắn mạch pha nếu không khoá thyristor hợp lý. + Với những hệ yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì bộ nghịch l−u nμy khó đáp ứng đ−ợc do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn. 2.2.3. Bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung - chỉnh l−u không điều khiển Để nâng cao chất l−ợng điện áp vμ dòng điện đầu ra của bộ nghịch l−u, bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung đ−ợc đ−a vμo nghiên cứu vμ ứng dụng. Tiêu chuẩn cơ bản để đánh giá chất l−ợng của một bộ nghịch l−u lμ mức độ gần sin chuẩn của điện áp vμ dòng điện đầu ra. Trong tất cả các bộ nghịch l−u đ−ợc ứng dụng thì bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung đ−ợc đánh giá lμ bộ nghịch l−u cho phép đ−a ra dạng sóng gần sin nhất. Nguyên lý của bộ nghịch l−u nμy trong ch−ơng nμy ta không đi sâu vμo mμ nó sẽ đ−ợc đề cập sâu hơn ở ch−ơng sau, ở đây ta chỉ nói qua về nguyên lý sơ bộ để có thể so sánh với hai dạng nghịch l−u ở trên. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 29 ch−ơng II bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung Các bộ nghịch l−u đề cập trong ch−ơng 1 lμ những bộ nghịch l−u mμ dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đ−a vμo bộ nghịch l−u lμ những xung vuông hoμn toμn hoăc xung có nhảy cấp mμ ta định nghĩa chung lμ những bộ nghịch l−u nhảy cấp. Bộ nghịch l−u nhảy cấp loại nμy có những thuận lợi vμ hạn chế nhất định trong điều khiển vμ dạng sóng đầu ra. Thuận lợi chủ yếu lμ vấn đề điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cầu của mạch điều khiển t−ơng đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn đ−ợc cố định trong một chu kì. Ta thấy cả hai bộ nghịch l−u nguồn dòng vμ nguồn áp đề cập ở ch−ơng 1 thì trong một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lần duy nhất. Có thể nói rằng tận số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số của sóng cơ bản bộ nghịch l−u. Khả năng chuyển mạch của van bán dẫn yêu cầu không cao, do vậy có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các van bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất cμng lớn thì tốc độ chuyển mạch cμng chậm. Bên cạnh −u điểm trên thì bộ nghịch l−u nhảy cấp trên bộc lộ một số nh−ợc điểm, nh−ợc điểm lớn nhất lμ khả năng sin hoá dòng điện hoặc điện áp không cao. Do đóng cắt cung cấp cho tải những xung vuông nên khi tải lμ đông cơ sẽ xuất hiện sóng hμi bậc cao không mong muốn. Sóng hμi xuất hiện lμm tổn hao trong mạch tăng lên vμ độ tinh chỉnh trong điều khiển giảm. Khi tần số đầu ra yêu cầu cμng thấp thì sóng hμi xuất hiện cμng nhiều vμ khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch l−u dạng nμy mất khả năng kiểm soát tốc độ, đặc biệt lμ bộ nghịch l−u nguồn dòng. Bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục đ−ợc nh−ợc điểm của hai bộ nghịch trên. Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) đ−ợc điều biến gần sin hơn, thμnh phần hμi bậc cao đ−ợc loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp vμ mọi tần số trong dải tần số định mức. Bằng ph−ơng pháp PWM ta có thể điều khiển đ−ợc động cơ thích nghi theo một đ−ờng đặc tính cho tr−ớc. Nh−ợc điểm lớn nhất của bộ nghịch l−u PWM lμ yêu cầu van bán dẫn có Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 30 khả năng đóng cắt ở tần số lớn. Tần số thông th−ờng lớn hơn khoản 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ nghịch l−u. 2. Nguyên lý hoạt động của PWM Sơ đồ mạch lực PWM một pha đ−ợc biểu diễn nh− hình 2.1 : Hình 2.1 : Sơ đồ mạch nghịch l−u PWM một pha Hai đại l−ợng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM lμ: sóng mang vμ sóng điều biên. + Sóng mang: Sóng mang lμ sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hμng chục thậm chí hμng trăm kHz. + Sóng điều biên: Sóng điều biên lμ sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản đầu ra của bộ nghịch l−u. Sóng điều biên chính lμ dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch nghịch l−u. Hình 2.2 biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch l−u PWM đơn cực. Chu kì đóng mở đ−ợc điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì lμ cực đại ở đỉnh sóng hình sin cơ bản. Hình 2.2: Điện áp ra của bộ nghịch l−u PWM đơn cực Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 31 Để ý rằng diện tích của mỗi xung t−ơng ứng gần với diện tích d−ới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hoμ của sóng điều chế theo ph−ơng pháp PWM giảm rõ rệt theo ph−ơng pháp nμy. Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo ph−ơng pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển ng−ời ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn vμ so sánh nó với một dãy xung tam giác đ−ợc biểu diến trên hình 2.2. Giao điểm của hai sóng xác dịnh thời điểm kích mở van bán dẫn. Hình 2.3 : Đồ thị xác định thời điểm kích mở thyristor Điện áp của đầu ra bộ nghịch l−u PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông, có nghĩa lμ khi đó đầu ra của PWM giống nh− bộ nghịch l−u nguồn áp đã đề cập ở ch−ơng 1. Khi điện áp điều khiển cμng giảm thì bề rộng của xung cμng giảm vμ độ trống xung cμng tăng, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển. Hình 2.4 giải 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 t−ơng ứng cho xung ra có bề rộng b. Giảm biên độ sóng hình sin ta sẽ có một một nửa sẽ có xung có bề rộng c. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giác nên có thể coi nh− trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thay đổi độ lớn, vì vậy ta có c = b/2. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 32 Hình 2.4 : Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh Biên độ của điện áp điều biến ra không đổi nh−ng bề rộng xung thay đổi, do vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi vμ ta có biên độ điện áp sau bộ nghịch l−u thay đổi. Cách điều chế t−ơng tự cũng đ−ợc xem xét cho phần âm của sóng sin chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của song sin. Điều đó đồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tam giác. Quá trình đ−a xung có tần số cao vμo sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậy sẽ lμm tăng các điều hoμ bậc cao. Nh−ng ta có thể dễ dμng lọc ra điều hoμ bậc thấp vμ tần số cơ bản sin hon. Bên canh đó động cơ lμ tải điện cảm nên dễ dμng lμm suy giảm các điều hoμ bậc cao cả điện áp vμ dòng điện. Thay cho ph−ơng pháp điều khiển PWM đơn cực để năng cao chất l−ợng điều khiển ta có ph−ơng pháp điểu khiển PWM l−ỡng cực. Các thyristor đ−ợc kích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (l−ỡng cực). Giản đồ điện áp điều biến PWM l−ỡng cực đ−ợc biểu diến trên hình 2.5. Phần điện áp ng−ợc trong nửa chu kì đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫn ng−ời ta điều chế sóng ta giác tần số cao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạo độ lệch pha giữa sóng tam giác vμ sóng hính sin cầu điều biến. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 33 Hình 2.5 : Điều chế độ rộng xung l−ỡng cực Số lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dãn tới tổn hao đỏi chiều trong thyristor của bộ nghịch l−u lớn. Để chọn bộ nghịch l−u có sóng gần chữ nhật hoặc bộ nghịch l−u PWM phải chú ý đến giá thμnh bổ xung phần tử chuyển mạch vμ tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản còn kại ở đầu ra. 3. Định l−ợng PWM Trong phần 2 ta đã có một khái niệm cơ bản về bộ nghịch l−u điều biến độ rông xung - PWM. Phần nμy ta sẽ đi sâu vμo định l−ợng một số đại l−ợng cần thiết trong tính toán bộ nghịch l−u PWM vμ vấn đề hμi bậc cao ở đầu ra. Những vấn đề cần quan tâm trong tính toán bộ PWM : + Sin hoá PWM ` + Nguyên lý loại trừ hμi bậc cao + Điều khiển thích nghi PWM + Dịch pha PWM Do yêu cầu đóng cắt với tần số cao nên phần lớn PWM sử dụng transistor nh− : BJT, MOSFET, IGBT…. lμm phần tử chuyển mạch.Vì vậy trong quá trình xem xét về PWM ta dùng transistor lμm đồi t−ợng nghiên cứu. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 34 3.1. Sin hoá PWM Kĩ thụât sin hoá PWM đ−ợc ứng dụng rất thông dụng trong công nghiệp. Hình 2.5 trình bμy nguyên lý cơ bản của PWM, trong đó một sang mang chuẩn hình tam giác đ−ợc so sánh với thμnh phần tần số cơ bản của sóng điều biện hình sin, điểm giao cắt của chúng đánh dấu điểm chuyển mạch của các phần tử bán dẫn công suất. Trong PWM ba pha, một sóng mang chung đ−ợc sử dụng cho cả ba pha. Hình dạng chuẩn của sóng điện áp dây vμ điện áp pha với điểm so sánh điện áp lμ điểm trung tính đ−ợc trình bμy trong hình 2.1. Những loạt xung vuông biến đổi ở đầu ra bộ nghịch l−u đ−ợc điều biến thμnh hình sin, vμ dạng sóng bao gồm một thμnh phần cơ bản của tần số điều biến. Biên độ của các thμnh phần cơ bản có thể thay đổi khi tần số vμ điện áp của sóng điều biến thay đổi. Xử lý chuỗi Fourier của sóng điện áp đầu ra khá phức tạp, nh−ng có thể trình bμy theo công thức sau : ( ) sin( ) 2 d S V v t m tω φ= + + thμnh phần hμm điều hoμ Bessel trong công thức trên : + m : hệ số điều biến, + Sω tần số sóng cơ bản (bằng tần số điều biến), + φ góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vμo độ d−ơng của sóng đầu ra. Hệ số điều biến đ−ợc dịnh nghĩa lμ m = VP/VT , trong đó VP lμ biên độ của sóng điều biến vμ VT lμ biên độ của song mang. Lý t−ởng thì m có thể biến đổi trong khoảng 0 vμ 1 thì có thể cho ta quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều tần vμ điện áp đầu ra. Khi m =1, giá trị lớn nhất của thμnh phần cơ bản của điện áp đầu ra có giá trị bằng 0,5Ud vμ bằng 78,5% biên độ của điện áp xung vuông (4Ud/2 π ). Khi giá trị m = 0 thì điên áp đầu ra các xung hình vuông đối xứng với các khoảng trống. Khoảng trống đ−ợc định nghĩa lμ khoảng thời gian khoá của phần tử chuyển mạch. Khi giá trị m tiến dần tới 1, độ rộng của khoảng trống gần giữa của nửa chu kì sóng hình sin tiến dần tới không. Khi sự vận hμnh của bộ nghịch l−u hoμn hảo, độ rộng xung vμ khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ nhất đ−ợc duy trì cho chuyển mạch vμ phục hồi đóng cắt. Cũng giống nh− vậy, khoảng thời gian trễ đóng cắt nhỏ nhất cũng đ−ợc yêu cầu đối với quá trình đóng mở giữa hai phần tử đóng cắt cao vμ thấp khi cả hai phần tử nμy cùng khoá. Khoảng thời gian nμy đ−a ra để loại trừ khả năng ngắn mạch van do quá trình trùng dẫn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 35 Dạng sóng đầu ra của PWM bao gồm thμnh phần sóng hμi bậc cao tần số sóng mang vμ hμi bậc cao tần số dải tần sóng điều biến. Tần số góc của sóng hμi có thể tính theo công thức : . C SM Nω ω± trong đó : + Cω : tần số sóng mang + Sω : tần số sóng điều biến + M, N lμ những số nguyên vμ M+N lμ một số lẻ. Với tỷ lệ tần số sóng mang vμ tần số sóng điều biến P = 15, tổng các thμnh phần sóng hμi bậc cáo đ−ợc đ−a ra trong bảng 3.1 Biên độ của thμnh phần sóng hμi không phụ thuộc vμo hệ số điều biến tần số P vμ giảm bớt khi tăng độ lớn của M+N. Với giá trị cao của hệ số điều biến tần số , thμnh phần sóng hμi dòng điện dây sẽ d−ợc lọc khá tốt bởi đện kháng tản của động cơ vμ dòng điện dây tiến dần đến dòng điện hình sin chuẩn. Khi lựa chọn hệ số điều biến tần số lμ một bội của 3, thμnh phần nhân ba của tần số dòng điện dây có thể bị triệt tiêu trên dây. Lựa chọn P phụ thuộc vμo sự cân bằng giữa tổn hao của bộ nghịch l−u vμ tổn hao sóng hμi của động cơ. Khi tăng giá trị của P ( t−ơng đ−ơng với tăng số lần đóng cắt trên một giây) sẽ lμm tăng tổn hao trong đóng cắt của bộ nghịch l−u nh−ng lại giảm đ−ợc thμnh phần sóng hμi trong động cơ. Nguyên lý của một bộ PWM cơ bản không có gì khác so với kĩ thuật trình bμy trong hinh 2.5. Điện áp đầu ra có thể tăng tuyến tính khi tăng hệ số điều biến biên độ cho đến khi đạt giá trị đỉnh của điện áp ra lμ một điện áp của xung vuông. Khi hệ số điều biến tần số tăng lớn hơn 1 sẽ chuyển snag giai đoạn quá điều biến, khi đó điện áp đầu ra không còn tuyến tinh với điện áp hình sin, quá trình điều biến chuyển sang giai đoạn quá điều biến. Khi chuyển sang giai đoạn quá điều biến sẽ xuất hiện các thμnh phần sóng hμi bậc cao của tần số sóng cơ bản ( thông lμ bậc 3, 5, 7…), các thμnh phần nμy lμ nguyên nhân chính chính lμm tổn hao trong máy điện tăng lên. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 36 Hình 2.6 : T−ơng quan điện áp tam giác vμ điện áp ra Mặc dù mục tiêu của bộ nghịch l−u lμ điều biến ra điện áp hình sin, xong điện áp xung vuông hoặc xung hình thang cũng đ−ợc chú ý đến. Những bộ nghịch l−u dạng nμy đ−a ra điện áp xung có độ rộng đối xứng ở đầu ra bộ nghịch l−u. Điện áp đầu ra có thể đ−ợc điều khiển tuyến tính trong dải từ 0 đến điện áp ra có dạng sóng hình vuông bởi điều chỉnh biên độ của sóng điều biến. Điện áp ra dạng xung vuông đối với động cơ không tốt bằng điện áp hình sin, nh−ng quá trình điều biến đơn giản hơn. 3.2. T−ơng quan tần số Với những ứng dụng điều khiển tốc độ thay đổi thì điện áp vμ tần số ra phải thay đổi nh− hình vẽ ( Hình 2.7). Trong dải công suất cố định, điện áp ra cực đại của bộ nghịch l−u có thể đạt đ−ợc khi vận hμnh bộ nghịch l−u ở chế độ xung vuông, nh−ng trong điều khiển dải mô men cố định thì điện áp đ−ợc điều khiển theo nguyên lý điều biến độ rộng xung. Ta mong muốn vận hμnh bộ nghịch l−u với một hệ số điều biến tần số hoμn hảo, với sóng điều biến yêu cầu đối xứng với sóng mang trong trong toμn bộ dải sóng. Một hệ số cố đinh P khi tần số sóng mang giảm sẽ dẫn tới tần số sóng điện áp cơ bản giảm, điều nμy không đ−ợc mong muốn do tổn hao sóng hμi bậc cao ở điểm nμy. Khi tần số sóng cơ bản thấp, sóng mang của bộ nghịch l−u đ−ợc duy trì không đổi vμ bộ nghịch l−u vận hμnh ở chế độ chạy tự do hay chế độ thiếu đồng bộ. ở chế độ nμy hệ số P có thể không phải lμ số nguyên vμ pha có thể trôi liên tục. Điều nμy lμm tăng vấn đề hμi bậc ba với sự trôi của điện áp DC, nh−ng những tác hại của hiệu ứng nμy có thể bỏ qua bởi một hệ tần số lớn. Theo sau dải thiếu đồng bộ lμ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 37 dải đồng bộ, tại đó P đ−ợc biến đổi từng b−ớc vì vậy tần số sóng mang lớn nhất vμ nhỏ nhất yêu cầu giới hạn trong phạm vi định tr−ớc. Hình 2.7 : T−ơng quan tần số sóng cơ bản vμ tần số sóng mang Gần tần số gốc, xuất hiện quá trình quá độ của chế độ xung vuông, tại đó tần số sóng mang có thể cho rằng giống nh− tần số cơ bản. Bộ điều khiển đ−ợc thiết kế một cách cẩn trọng vì vậy tại điểm có sự nhảy cấp của tần số không có sự nhảy cấp của điện áp. 3.3. Ph−ơng thức loại trừ sóng hμi Những sóng hμi không mong muốn của xung vuông có thể bị loại bỏ vμ thμnh phần điện áp cơ bản có thể đ−ợc điều khiển một cách hiệu quả bằng những gì đ−ợc biết trong ph−ơng thức loại trừ sóng hμi. Trong ph−ơng thức nμy, những khoảng trống đ−ợc tạo ra trên xung vuông tại những góc định tr−ớc trên xung vuông, nh− trong hình vẽ (hình 2.8). Trong hình vẽ, một nửa chu kì sóng điện áp ra đ−ợc trình bμy với một phần t− sóng do đối xứng nhau. Có thể chỉ ra đây rằng bốn góc của khoản trống 1α , 2α , 3α vμ 4α có thể đ−ợc điều khiển để loại trừ ba Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 38 thμnh phần sóng hμi vμ điều khiển điện áp sóng cơ bản đầu ra. Số thμnh phần cơ bản có thể bị loại trừ sẽ lớn hơn nếu dạng sóng đ−ợc đ−a thêm nhiều góc khoảng trống. Nguyên lý : Chuỗi Fourier tổng quát của sóng đầu ra có thể đ−a ra nh− sau : 1 ( ) ( cos sin )n n n v t a n t b n tω ω∞ = = +∑ trong đó : + 2 0 1 ( )cosna v t n t π ωπ= ∫ d tω + 2 0 1 ( )sinnb v t n t π ωπ= ∫ d tω Dạng sóng với 1/4 đối xứng, chỉ có sóng hμi bậc lẻ với sóng hình sin tồn tại.Vì vậy có thể viết : + 0na = + / 2 0 4 ( )sinnb v t n t π ωπ= ∫ d tω Cho rằng sóng có biên độ đơn vị nh− v(t) =± 1, bn có thể biểu diễn khai triển dạng : 1 2 3 1 2 1 / 2 1 0 4 ( 1)sin ( 1)sin ( 1)sin ..... ( 1) sin (11)sin K K K K nb n td t n td t n td t n td t n td t α α α α π α α α α ω ω ω ω ω ω ω ω ω ωπ − −⎡ ⎤= + + − + + + + − +⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ ∫ ∫ Sử dụng biểu thức t−ơng đ−ơng : ( )2 1 1 2 1 sin cos cosn td t n n n θ θ ω ω θ θ= −∫ đại l−ợng đầu vμ cuối có thể viết d−ới dạng : ( )1 1 0 1 ( 1)sin 1 cosn td t n n θ ω ω θ+ = −∫ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 39 / 2 1 sin cos K Kn td t nn π θ ω ω θ=∫ Thay thế lên ph−ơng trình trên ta có ph−ơng trình tổng quát : ( )1 2 1 4 1 2 cos cos ... cos 4 1 2 ( 1) cos n K K K K K b n n n n n n α α απ απ = ⎡ ⎤= + − + − +⎣ ⎦ ⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎝ ⎠∑ Ph−ơng trình trên bao gồm K giá trị thay đổi ( 1α , 2 3 4, , ,...., nα α α α ) vμ yêu cầu K ph−ơng trình sin để giải. Với K số góc α điện áp đầu ra đ−ợc điều khiển vμ K-1 sóng hμi bậc cao bị loại trừ. Để ý, ở tr−ờng hợp đơn giản, sóng hμi bậc 5 vμ bậc 7 bị loại trừ vμ sóng điện áp cơ bản đ−ợc điều khiển. Sóng hμi bậc ba vμ các sóng bộ ba có thể bỏ qua nếu động cơ đ−ợc đấu Y với trunh tính cách điện với đất. Với giá trị K=3 ta có ph−ơng trình của sóng bậc 5, bậc 7 vμ sóng cơ bản đ−ợc viết nh− sau : + Sóng cơ bản : ( )1 1 2 34 1 2 2 2b cos cos cosα α απ= − + − + Sóng bậc 5 : ( )5 1 2 34 1 2 5 2 5 2 5 05b cos cos cosα α απ= − + − = + Sóng bậc 7 : ( )7 1 2 34 1 2 7 2 7 2 7 07b cos cos cosα α απ= − + − = Ph−ơng trình phi tuyến siêu việt ở trên có thể giải giá trị bằng số của điện áp sóng cơ bản vμ các giá trị α có thể xác định đ−ợc. Giá trị α đ−ợc xác định ở các điện áp khác nhau của đầu ra vμ đồ thị nh− hình 2.8. Trong hình vẽ cũng trình cũng trình bμy sóng hμi bậc cao hơn đó lμ bậc 11 vμ 13, điều nμy sẽ đ−ợc qua tâm khi ta muốn loại trừ sóng hμi bậc 11 vμ 13. Hiệu ứng của sóng hμi bậc cao rất nhỏ so với biên độ của sóng cơ bản. Điện áp sóng hμi bậc 5 vμ bậc 7 có thể bị loại trừ dến 93,34% (100% ứng với sóng hμi xung vuông) khi 1 0α = . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 40 Hình 2.8 : Dạng điện áp ra trong ph−ơng pháp loại trừ sóng hμi Khi tần số cơ bản giảm, số l−ợng góc của khoảng trống có thể tăng vì vậy các sóng hμi bậc cao hơn có thể bị loại trừ. Thêm vμo đó số l−ợng góc khoảng trống trên một nữa chu kì hoặc số chuyển mạch trong một giây sẽ xác định tổn thất đóng cắt của bộ nghịch l−u. Một vấn đề khó khăn về số l−ợng góc khoảng trống ở tần số thấp lμ bảng tra cứu góc α cho bất kì một dạng sóng mẫu nμo không đ−ợc phổ biến rông rãi. Để giải quyết lý do nμy, một PWM phối hợp đ−ợc tạo ra, theo ph−ơng thức nμy thì tại dải tần số thấp ta sử dụng một ph−ơng pháp sin hoá vμ tại tần số cao ta sử dụng một ph−ơng pháp sin hoá khác. Theo ph−ơng thức nμy, sự nhảy cấp của điện áp đ−ợc điều khiển chính xác trong dải công suất lớn vμ tổn hao sóng hμi bậc cao gặp phải trong quá trình sin hoá PWM đ−ợc giảm một cách căn bản. Ph−ơng pháp loại trừ hμi bậc cao có thể kéo dμi trong một dải công suất không đổi, tại đó điều khiển điện áp để đạt hiệu suất cao trong hệ thống điều khiển có thể đạt đ−ợc. 3.4. Ph−ơng thức dạng sóng dòng điện nhỏ nhất Một sự không thuận lợi của ph−ơng thức loại trừ sóng hμi lμ loại trừ thμnh phần hμi bậc thấp, thμnh phần nμy mới lμ quan trọng. Hình 2.9 biểu diễn các thμnh phần sóng hμi tần số cơ bản. Tổn hao sóng hμi trong động có đ−ợc quyết định bởi dòng điện gợn sóng hiệu dụng, nó lμ thông số cần phải nhỏ nhất đến từng thμnh phần. Tuy nhiên thông số nμy rất nhỏ so với các thông số khác của động cơ, điều nμy có thể không hoμn toμn đúng, đặc biệt lμ động cơ rotor dây quấn. Dòng điện sóng hμi có thể tính theo công thức : Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 41 2 2 2 2 3 5 7 9 ...rippleI I I I I= + + + + = = 22 2 2 93 5 7 ... 2 2 2 2 mm m m II I I+ + + + = 2 3 1 2 n S V n Lω ∞ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠∑ trong công thức trên : + I3, I5,…. : dòng điện hiệu dụng của các thμnh phần sóng hμi + I3m, I5m…: biên độ của dòng điện sóng hμi + n : bậc của sóng hμi + Vn : độ lớn của đỉnh sóng hμi bậc n + Sω : tần số sóng cơ bản + L : hệ số điệm cảm tản của động cơ trên một pha T−ơng ứng ta có ta có tổn hao đồng trong động cơ do sóng hμi gây ra : PL = 23 .rippleI R trong đó R lμ điện trở của một pha dây quấn. Để có đ−ợc số l−ợng góc khoảng trống, giá trị Vn có thể đ−a ra bởi ph−ơng trình ( )1 2 1 4 1 2 cos cos ... cos 4 1 2 ( 1) cos n K K K K K b n n n n n n α α απ απ = ⎡ ⎤= + − + − +⎣ ⎦ ⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎝ ⎠∑ Từ ph−ơng trình Iripple thay Vn ta tìm đ−ợc hμm của góc khoản trống.giá trị góc khoảng trống có thể có đ−ợc bằng lặp trên máy tính để tìm giá trị nhỏ nhất của Iripple. Điều chỉnh lại bảng tra cứu góc α cơ bản dựa trên cơ sở tổn hao sóng hμi nhỏ nhất lμ mong muốn của ph−ơng thức loại trừ sóng hμi. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 42 Hình 2.9 : Phổ sóng điện áp ra khi loại trừ bậc 5 vμ bậc 7 Hình 2.10 trình bμy phổ sóng điện áp ra trong ph−ơng thức dòng điện gợn sóng nhỏ nhất, điều kiện thực hiện giống nh− điều kiện trình bμy trên hình 2.9. Để ý thấy thμnh phần bậc 7 vẫn tiếp tục nh−ng thμnh phần hμi qua tâm bậc 11 đã giảm đi .Thêm vμo đó, điện áp hμi bội ba đ−ợc bỏ qua. Hình 2.10: Phổ điện áp ra theo ph−ơng thức dòng điện gợn sóng nhỏ nhất Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 43 3.4. Điều khiển thích nghi dòng điện PWM Hình 2.11: Nguyên lý điều khiển thích nghi theo dòng điện Coi nguồn điện một chiều lμ lý t−ởng. Kĩ thuật điều khiển thích nghi hay điều khiển có trễ dòng điện bằng PWM đề cập ở đây có thể đ−ợc phát triển để v−ợt qua vấn đề nμy. Kĩ thuật dựa trên cơ sở dòng điện đ−ợc mô tả trên hình 2.11. Mạch điều khiển sẽ tạo ra một sóng dòng điện hình sin chuẩn có c−ờng độ vμ tần số mong muốn, sóng hình sin sẽ đ−ợc so sánh với dòng điện pha trong thực tế nh− trong hình 2.12. Hình 2.12 : Sơ đồ khối điều khiển PWM thích nghi Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 44 Khi giá trị dòng điện v−ợt quá dải trễ không chế thì transistor cao ở nửa cần đ−ợc khoá vμ transistor thấp đ−ợc mở.Kết quả lμ điện áp đầu ra thay đổi từ +0,5Ud đến -0,5Ud vμo dòng điện bắt đầu giảm. Khi dòng điện giảm qua giá trị giới hạn d−ới của dải trễ, transistor cao đ−ợc kích mở vμ khoá transistor d−ới. Thời gian khoá khống chế tL cung cấp cho mỗi transistor để phòng tr−ờng hợp ngắn mạch van khi chuyển mạch. Sóng dòng điện hình pha vì vậy đ−ợc khống chế ở rãnh trong khoảng nhiễu của hình sin chuẩn. Bộ nghịch l−u vì vậy trở thμnh một nguồn dòng thay vì một nguồn áp, dòng điện biến đổi đ−ợc điều khiển thích nghi trong một dải nhiễu không quan trọng vμo dao động của nguồn Vd. Dòng điện nhấp nhô hiệu dụng, nó không trực tiếp liên quan đến dòng điện nhấp nhô đỉnh - đỉnh, vì vậy đ−ợc điều khiển trong vòng kín, hiệu ứng nhiệt trong máy giảm nhỏ nhất. Chế độ diều khiển thích nghi dòng điện PWM có thể chuyển sang chế độ điện áp xung vuông một cách bằng phẳng trong một dải công suất cố định. ở dμi tốc độ thấp mμ tại đó bộ đếm tốc độ thấp, không có vấn đề gì khó khăn trong việc điều khiển dòng điện. Nh−ng khi tốc độ tăng cao, bộ điều khiển dòng điện sẽ bão hoμ trong một phần vòng do bộ đếm tốc độ cao. Trong điều kiện nμy, c−ờng độ dòng điện sẽ giảm vμ pha dòng điện sẽ lệch pha so với dòng điện đặt. Độ dốc của sóng dòng điện có thể tính theo công thức : 0,5 sind cm Sdi V V t dt L ω−= trong đó Vcmsin S ω t sóng sin nhấp nhô của bộ đếm emf vμ L lμ điện kháng tản. Dải trễ có thể đ−ợc điều khiển thích nghi với tần số đóng cắt của bộ nghịch l−u, nó có thể t−ơng ứng với sự nhấp nhô đỉnh - đỉnh. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 45 Ch−ơng 3 Thiết kế mạch động lực 1. Đề xuất ph−ơng án Trong nghịch l−u của dụng ph−ơng pháp PWM (Pulse Width Modulation) ta có hai ph−ơng pháp nghịch l−u : + Nghịch l−u PWM đơn cực + Nghịch l−u PWM l−ỡng cực Hai ph−ơng pháp trrn có những −u điểm vμ nh−ợc điểm nhất định, để lựa chọn đ−ợc một ph−ơng pháp PWM thích hợp ta phải tiến hμnh phân tích −u nh−ợc điểm của từng loại. 1.1. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM đơn cực Hình 3.1 : Nguyên lý vμ các dạng điện áp của PWM đơn cực Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 46 Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý nghịch l−u đơn cực Trong ph−ơng pháp nμy các kênh (ta định nghĩa kênh t−ơng đ−ơng với một pha) hoạt động độc lập với nhau. Qua trình đóng cắt các van bán dẫn đ−ợc xác định tr−ớc do quá trình so sánh điện áp của sóng sin chuẩn vμ sóng tam giác. Điện áp pha có biên độ lμ Ud/2. Điện dây vμ điện áp pha có biên độ bằng nhau. Khi điện áp hình vuông đặt lên động cơ thì dòng điện trong động cơ tăng lên theo hμm số mũ, khi không có điện áp đặt lên động cơ sẽ xảy ra quá trình xả năng l−ợng của cảm kháng của động cơ, quá trình xả nμy qua diode về nguồn một chiều. Quá trình tăng ta có thể điều khiển đ−ợc còn quá trình xả lμ tự nhiên, không có điều khiển. Hình 3.3 : Dạng điện áp vμ dòng điện pha thực tế Hình 3.3 biểu diễn dòng điện vμ điện áp của một pha động cơ khi cung cấp áp bằng PWM đơn cực. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 47 1.2. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM l−ỡng cực Hình 3.4 : Nguyên lý vμ các dạng điện áp của PWM l−ỡng cực Quá trình tạo ra điện áp điều biến trên một pha lμ sự phối hợp chuyển mạch của một số van đóng cắt trên các kênh khác nhau. Điện áp ra lμ sự tổng hợp điện áp của hai pha. Quá trình đóng cắt thì biên độ điện áp pha bằng 1/2Ud. Điện áp pha bao gồm cả phần âm vμ phần d−ơng có biên độ bằng nhau. Điện áp dây có biên độ bằng Ud. Trong ph−ơng pháp điều khiển nμy không có phần điện áp bằng không của tải trong quá trình hoạt động, hay nói cách khác, điện áp Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 48 nguồn điện một chiều luôn đ−ợc đặt lên tải. Quá trình suy giảm của dòng tải có thể điều khiển đ−ợc bằng xung âm. 1.3 So sánh hai ph−ơng pháp nghịch l−u Hai ph−ơng pháp trên lμ hai ph−ơng pháp nghịch l−u PWM cơ bản. Về cấu trúc mạch động lực của hai ph−ơng pháp không có gì khác nhau, mμ chỉ khác nhau về nguyên tắc điều khiển chuyển mạch các van bán dẫn. Hai ph−ơng pháp trên có chứa những −u điểm vμ nh−ợc điểm nhất định. 1.3.1.Ph−ơng pháp PWM dơn cực Ưu điểm : + Mạch điều khiển đơn giản do không có phần điện áp âm trong thμnh phần điện áp các pha. + Số l−ợng chuyển mạch của transistor ít, do vậy tổn hao chuyển mạch thấp. Nh−ợc điểm: + Điện áp ra có biên độ không cao, biên độ của điện áp điều biến lμ Ud/2. Khi tải có yêu cầu điện áp lớn hơn Ud/2 thì ph−ơng pháp nμy không đáp ứng đ−ợc. + Khi điện áp ra yêu cầu giá trị cận không thi khó có thể đáp ứng đ−ợc do khả năng chuyển mạch của van bán dẫn. 1.3.2. Ph−ơng pháp PWM l−ỡng cực Ưu điểm: + Điện áp ra có biên độ lớn, biên độ của điện áp điều biến lμ Ud. + Có khả năng điều khiển điện áp nhỏ, do có phần điện áp xung âm trong thμnh phần điện áp pha nên có thể điều khiển điện áp pha về không mμ vẫn đảm bảo điều kiện chuyển mạch của van bán dẫn. + Khả năng đáp ứng đ−ợc yêu cầu cao về ổn định dòng điện cũng nh− tần số. Do có phần điện áp âm trong điều biến điện áp pha nên có khẳ năng khống chế dòng điện tốt hơn. Nh−ợc điểm Nh−ợc điểm lớn nhất của nghịch l−u PWM l−ỡng cực lμ sự phức tạp của mạch điều khiển do phải phối hợp đóng cắt các van bán dẫn. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 49 1.3.3. Chọn ph−ơng án nghịch l−u Yêu cầu của bộ nghịch l−u PWM cần thiết kế : + Điện áp nguồn nuôi: Ba pha 380V/50Hz + Tần số điện áp ra: 10 - 500 Hz + Độ ổn định tần số điện áp ra: 5% + Điện áp ra thay đổi tù 100 V đến 500 V Ta thấy rằng yêu cầu ổn định tần số đầu ra lμ khá cao, dải điều chỉnh tần số lớn. Vì vậy ta thiết kế mạch nghịch l−u theo nguyên tắc của nghịch l−u PWM l−ỡng cực. 1.4. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt vμ dạng mạch động lực 1.4.1. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt Tần số điện áp ra - tần số cơ bản - có giá trị khá lớn, từ 100 dến 500 Hz. Đây lμ một tần số khá lớn đối với một bộ nghịch lu. Trong bộ nghịch lu sử dụng nguyên lý PWM thì tần số chuyển mạch còn lớn hơn nhiều lần tần số cơ bản. Chính vì vậy ta phải chọn linh kiện bán dẫn lμm khoá chuyển mạch phải có tốc độ chuyển mạch khá lớn. Các loại linh kiện bán dẫn có thể đáp ứng đ−ợc yêu cầu ở tần số nμy lμ: + Transistor l−ỡng cực BJT - Bipolar Junction Transistor + Transistor hiệu ứng tr−ờng MOSFET - Metal Oxide Semicoducter Field Effect Transistor + IGBT lμ sự kết hợp của BJT vμ MOSFET Để tiến hμnh lựa chọn đ−ợc van bán dẫn thích hợp, ta tiến hμnh phân tích −u nh−ợc điểm các van bán dẫn trên. Những vấn đề cơ bản về BJT Trong phần nμy ta không đi sâu vμo cấu tạo của Transistor mμ ta chỉ phân tích những yếu tố chính của nó khi vận hμnh. Có thể nói rằng BJT lμ một phần tử đóng cắt cổ điển nhất vμ đ−ợc sử dụng đầu tiên để cho mục đích đóng cắt sau nhiệm vụ khuyếch đại. Dải công suất của BJT: Ngμy nay với kĩ thuật tiên tiến thì các BJT có thể có công suất khá lớn, các van BJT có thể có điện áp chịu đựng hμng chục kilôvôn vμ có dòng cho phép cỡ vμi nghìn Ampe. Tần số chuyển mạch của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phép vμo khoảng 10kHz. Tần số nμy cμng giảm khi công suất van tăng. Độ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 50 tuyến tính xung điện áp ra của BJT khá lớn, nguyên nhân chính do tụ kí sinh trên van nhỏ nen cho phép van chuyển mạch nhanh. Nh−ợc điểm chủ yếu của BJT lμ công suất mạch điều khiển. Các BJT công suất lớn th−ờng có hệ số khuyếch đại nhỏ, cỡ trên d−ới 10 lần. Điều nμy đông nghĩa với công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta sử dụng khuyếch đại trực tiếp. Công suất mạch điều khiển có thể giảm đ−ợc nếu ta sử dụng mạch Dalington cho tầng khuyếch đại cuối cùng, tuy vậy sẽ gây ra một vấn đề đó lμ trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn. Tổn hao vμ lμm mát BJT Nh− đã phân tích, tổn hao trong BJT khá lớn do nó đ−ợc điều khiển bằng dòng-áp. Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT th−ờng có công suất nhỏ, cỡ vμi trăm oát. Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể lμm đ−ợc xong không kinh tế trong điều khiển vμ lμm mát van. Những vấn đề cơ bản về MOSFET Dải công suất của MOSFET Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến đ−ợc những nh−ợc điểm trong điều khiển BJT. Điểu khiển đóng mở MOSFET lμ điều khiển bằng điện áp đặt lên hai cực, cực cổng (G - Gate) vμ cực nguồn (S - Source). Việc điều khiển bằng điện áp đã lμm giảm đ−ợc kích th−ớc vμ tổn hao trong mạch điều khiển vμ dẫn tới khả năng tích hợp thμnh vi mạch. Do sử dụng hiệu ứng tr−ờng nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khá lớn, có thể đến 100kHz. Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên van nhỏ. Tuy vậy công suất của MOSFET không cao, khả năng lμm việc ở điện áp cao không bằng đ−ợc BJT. Các MOSFET công suất lớn th−ờng có điện áp lμm việc d−ới 1kV vμ dòng điện cỡ vμi chục Ampe. Tổn hao vμ lμm mát MOSFET MOSFET lμ van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có thể sử dụng ở chế độ đóng cắt. Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng tr−ờng nên quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ. Đi liền với đó lμ việc lμm mát cho MOSFET t−ơng đối đơn giản, có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mμ vẫn có thể dẩm bảo điều kiện lμm mát. Do vậy khi dải công suất cỡ vμi trăm oat thi ta nên sử dụng MOSFET lμm phần tử đóng cắt. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 51 Những vấn đề cơ bản về IGBT Kết hợp những −u điểm của BJT về mặt công suất vμ của MOSFET về mặt điều khiển, IGBT ra đời. Sự ra đời của IGBT đã giải quyết cho BJT về tổn hao trong điều khiển, vμ tăng công suất đóng cắt. Dải công suấtcủa IGBT Dải công suất của IGBT có thể nói lμ lớn nhất trong các van sử dụng nguyên lý chuyển mạch bằng dòng xung điều khiển. Do không bị hạn chế về điều khiển nên có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thμnh không quá cao. Ngμy nay IGBT có thể chế tạo điện điện áp cỡ 6kV vμ dòng điện cỡ 3kA, trong khi yêu cầu điện áp mạch điều khiển chỉ khoảng 20V vμ không cần dòng điều khiển do điều khiển IGBT lμ bằng điện áp nh− MOSFET. Tần số chuyển mạch của IGBT cũng khá lớn, thông th−ờng các IGBT công suất có tần số lμm việc khoảng 20kHz. Tổn hao vμ lμm mát cho IGBT Trong quá trình vận hμnh IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơn MOSFET. Do vậy quá trình lμm mát của IGBT phải đặc biệt đ−ợc chú ý khi dải công suất tăn cao. Qua phân tích ở trên công với đối chiếu công suất thiết kế của bộ nghịch l−u ta chọn IGBT lμm phần tử chuyển mạch. Những điều quan trọng về IGBT Cũng giông nh− MOSFET, ta có hai loại IGBT lμ IGBT loại N vμ IGBT loại P. Hình vẽ 3.5 trình bμy cấu tạo bên trong của IGBT loại N, trong tất cả các vấn đề đ−ợc nói đến sau nμy ta chỉ lấy IGBT loại nμy lμm ví dụ. Nguyên nhân chính lμ do phần lớn IGBT lμ loại N vμ loại P hoμn toμn có thể phân tích t−ơng tự. Hình 3.5 : Cấu trúc bên trong của IGBT loại N Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 52 Ta thấy rằng trong IGBT có ba lớp tiếp giáp đó lμ J1, J2 vμ J3 nh− hình 3.5. Quá trình điện chỉ xảy ra trên ba lớp nμy. Vì vậy ta tiến hμnh phân tích hoạt động của IGBT dựa trên cấu trúc của ba lớp tiếp giáp nμy. Trạng thái đóng mở của van đ−ợc điều khiển, giống nh− MOSFET, bằng điện áp trên cực cổng VG. Khi có điện áp đặt lên cực G vμ cực E nhỏ hơn điện áp cần thiết mở van bán dẫn thì sẽ không có sự biến đổi trong lớp MOSFET vμ do đó van ở trạng thái khoá. Khi đ−ợc nối với nguồn điện áp sẽ đ−ợc đặt trên lớp tiếp giáp J2, điện áp nμy gây nên một dòng trôi trên trong bán dẫn, dòng điện nμy có giá trị khá nhỏ vμ đ−ợc định nghĩa lμ dòng điện rò của van. Điện áp chọc thủng theo chiều thuận theo chiều thuận chính lμ điện áp chọc thủng lớp tiếp giáp nμy. Đây lμ một đại l−ợng qua trọng cho van bán dẫn, phần tử bán dẫn có thể bị phá huỷ do điện áp vμ dòng điện khi lớp tiếp giáp nμy bị đánh thủng. Hình 3.6: Cấu trúc bên trong khi IGBT dẫn Ngμy nay, do công nghệ bán dẫn phát triển nên có thể chế tạo IGBT ở điện áp cao vμ dòng điện lớn. Các IGBT công suất có thể chế tạo đến điện áp khoảng 6,3 kV vμ dòng điện cỡ vμi nghìn Ampe. Bên canh đó có thể tích hợp 6 IGBT trong một khối thμnh một cầu ba pha tạo điều kiện thuận lợi cho việc lμm mát tập trung. 1.4.2. Sơ đồ mạch động lực Mạch động lực gồm các phần chính sau đây: + Phần chỉnh l−u + Phần lọc Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 53 + Phần nghịch l−u Phần chỉnh l−u: Phần chỉnh l−u bao gồm biến áp chỉnh l−u vμ bộ chỉnh l−u không điều khiển - chỉnh l−u diode. Biến áp chỉnh l−u lμ máy biến áp lực thông th−ờng vμ đ−ợc đấu /YΔ . Mục đích của kiểu dấu nhằm loại trừ sóng hμi bên thứ cấp, không cho qua chỉnh l−u vμ tiêu tám thμnh phần nμy bên sơ cấp nhằm tránh dòng điện vμo l−ới. Chỉnh l−u diode dùng các diode công suất đ−ợc nối theo sơ đồ cầu. Sơ đồ cầu có −u điểm cho ra điện áp một chiều sau chỉnh l−u chất l−ọng cao vμ khả năng cho ra điện áp lớn khi dùng cùng một loại van nh− các chỉnh l−u khác. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 54 Hình 3.6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 55 Phần mạch lọc: Mạch lọc ta dùng hai tụ hoá có điện dung vμ điện áp lớn. Mục đích dùng hai tụ lμ để có đ−ợc nguồn áp gần lý t−ởng vμ có đ−ợc điểm trung tính giả, thuận lợi cho việc tính toán bộ nghịch l−u về sau. Phần mạch nghịch l−u: Mạch nghịch l−u ta dùng sơ đồ nghịch l−u cầu ba pha sử dụng phần tử đóng cắt lμ MOSFET công suất. Đầu ra tải đ−ợc đầu hình Y. Ngoμi các phần trên còn có các mạch lọc ,các mạch lọc nμy có tác dụng bảo vệ bộ nghịch l−u vμ bộ chỉnh l−u diode, lọc xung điện tần số lớn cho nguồn cung cấp. Các mạch lọc bao gồm: + Mạch lọc tránh xung điện áp cao từ l−ới: đó lμ mạch lọc RC đ−ợc mắc ngay sau máy biến áp lực, mạch nμy có tác dụng lọc những xung điện áp cao từ l−ới sau khi đi qua máy biến áp. Nhờ có mạch nμy mμ xung điện áp đ−ợc giảm đáng kể tr−ớc khi đi vμo mạch chỉnh l−u. + Mạch lọc của bộ nghịch l−u: Bao gồm mạch lọc tr−ớc vμ sau chỉnh l−u. Các mạch nμy có tác dụng lọc ra thμnh phần điện áp cơ bản cung cấp cho tải vμ ngăn không cho thμnh phần sóng hμi sang phần điện áp một chiều. Thiết bị bảo vệ vμ đóng cắt mạch lμ Aptomat bên sơ cấp vμ cầu chì bên thứ cấp. 2. Tính toán thông số mạch động lực 2.1. Chọn hệ số điều biến tần số Hệ số điều biến tần số lμ tỉ số giữa tần số sóng mang vμ tấn số sóng điều biến. mf = x s f f trong công thức trên: fx : tần số sóng mang fs : tần số sóng diều biến Hệ số điều biến tần số có một ý nghĩa rất qua trong trong ph−ơng pháp nghịch l−u PWM. Việc chọn hệ số điều biến sẽ quyết định chất l−ơng vμ giá thμnh của bộ nghịch l−u.Các cơ sở để chọn hệ số điều biến: + Theo phần đại c−ơng ở ch−ơng 2 thì các thμnh phần sóng hμi tồn tại trong một dải xung quanh tần số chuyển mạch vμ lμ bội số của nó lμ: ms , 2ms , 3ms… ứng với hệ số điều biến biên độ biến đổi trong khoảng 0,1. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 56 Khi công suất không quá lớn nếu mf≤9 thì các thμnh phần sóng hμi hầu nh− không phụ thuộc vμo hệ số điều biến tần số. Các thμnh phần sóng hμi bậc cao xuất hiện ở các tần số: fh = (jmf± k)fs trong công thức trên thì: j : bội số của hệ số điều biến tần số, k : số thứ tự trong dải tần số ứng với bội số của hệ số điều biến tần số. Do vậy ta có bậc của sóng hμi bậc cao: h = jmf± k Khi h = 1 ta có tần số cơ bản f1. Khi j có giá trị lẻ thì sóng hμi chỉ xuất hiện với các giá trị k chẵn vμ khi j chẵn , sóng hμi chỉ xuất hiện với k lẻ. + Khi mf có giá trị lẻ, các thμnh phần sóng hμi bậc chẵn sẽ không tồn tại do các hệ số của hμm cos trong chuỗi Fourier có giá trị bằng 0. + Lựa chọn tần số chuyển mạch vμ hệ số điều biến tần số: Khi tần số chuyển mạch lớn có thể giảm đ−ợc sóng hμi bậc cao do khi ở tần số nμy ta có thể dễ dμng lọc đ−ợc các thμnh phần nμy. Tuy nhiên khi tần số chuyển mạch tăng đông nghĩa với tổn hao trong bộ nghịch l−u tăng lên. Tần số chuyển mạch thực tế trong truyền động điện nằm d−ới 6 kHz, hoặc lớn hơn 20 kHz. Do đó hệ nghịch l−u cấp nguồn cho động cơ 50/60Hz thì tần số cơ bản của điện áp ra có trị số cần thiết đến 200 Hz hệ số điều biến có thể lμ 9 hoặc nhỏ hơn, điều đó t−ơng đ−ơng với tần số chuyển mạch 2kHz. Ng−ợc lại mf có thể lớn hơn 100 khi tần số chuyển mạch cao hơn 20 kHz. Trong dải điều khiển tối −u công suất thì tần số chuyển mạch nằm trong khoảng 6 kHz đến 20 kHz. áp dụng cho bộ nghịch l−u đ−ợc thiết kế thì ta chọn mf = 39 Khi đó tần số chuyển mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch l−u lμ: fmax = 500.39 = 19500 Hz = 19,5 kHz Tần số chuyển mạch nhỏ nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch l−u: fmin = 10.39 = 390 Hz = 0,39 kHz. 2.2. Chọn hệ số điều biến biên độ Hệ số điều biến biên độ lμ tỷ số giữa điện áp sóng điều biến vμ điện áp sóng điện áp mang. ma = Uđkm/Uxm Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 57 trong đó : + Uđkm : biên độ điện áp sóng diều biến + Uxm : biên độ điện áp sóng mang. Hệ số điều biến biên độ lμ một đại l−ợng qua trọng, đại l−ợng nμy quyết định điện áp đầu ra của bộ nghịch l−u. Hệ số điều biến biên độ lμ một đại l−ợng thay đổi trong quá trình vận hμnh của bộ nghịch l−u. Khoảng giá trị của hệ số điều biến biên độ đ−ợc chia lμm hai phần : + Khoảng thứ nhất ma <1: khoảng nμy đ−ợc gọi lμ khoảng điêu khiển tuyến tính của bộ nghịch l−u. Khi điều khiển trong khoảng nμy thì điện áp ra đ−ợc điều khiển tuyến tính. + Khoảng thứ hai ma > 1: khoảng nμy đ−ợc gọi lμ khoảng điều khiển phi tuyến. Khi điều khiển trong khoảng nμy thì điện áp ra tỷ lệ phi tuyến với điện áp điều khiển. Hai khoảng điều khiển trên có những −u vμ nh−ợc điểm nhất định. Trong khoảng điều khiển tuyến tính thì điện áp ra gần điện áp hình sin hơn thμnh phần sóng hμi đ−ợc lọc tốt hơn nh−ng đổi lại tổn hao trong bộ nghịch l−u tăng do van bán dẫn phải chuyển mạch nhiều lần trong một chu kì. Vμ khi điều khiển trong khoảng tuyến tính thì điện áp vμ công suất đầu ra không thể đạt giá trị lớn. Trong khoảng điều khiển phi tuyến thì có thể cho ra ở đầu ra một điện áp lớn hơn khi cùng một giá trị điện áp đầu vμo nh− chế độ điều khiển tuyến tính, nh−ng bù lại thì trong thμnh phần điện áp ra chứa nhiều thμnh phần sóng hμi do chuyển mạch đựoc thực hiện phần lớn ở chế độ xung vuông. Chế độ điều khiển phi tuyến chỉ đ−ợc thực hiện khi yêu cầu công suất đầu ra t−ơng đối lớn vμ th−ờng dùng cung cấp cho động cơ đồng bộ. Trong bộ nghịch l−u ta chọn hệ số điều biến biên độ ma < 1. Điều đó có nghĩa lμ ta điều khiển bộ nghịch l−u theo ph−ơng pháp tuyến tính. Để thấy đ−ợc quá trình điều khiển tuyến tính ta tiến hμnh phân tích điện áp ra tần số cơ bản vμ điện áp hμi bậc cao. 2.3. Phân tích điện áp đầu ra khi ma < 1 Trong một chu kì tần số sóng mang, điện áp sóng điều biến uđk biến đổi rất chậm nên ta coi nh− điện áp đó không đổi trong một chu kì tần số sóng mang (vấn đề nμy đã đ−ợc đề cập trong phần đại c−ơng vê PWM). Trị số trung bình của điện áp một pha đầu ra có thể tính theo công thức: UAO = . 2 dk d xm u U U Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 58 trong công thức trên : + UAO : điện áp của pha A so với điểm trung tính (điểm trung tính đ−ợc qui −ớc lμ điểm giữa hai tụ lọc nguồn) + uđk : điện áp tức thời của điện áp điều biến. + Uxm : biên độ điện áp điều biến + Ud : giá trị điện áp một chiều nguồn cung cấp cho mạch nghịch l−u. Công thức trên chỉ đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp điều kiển trong phần tuyến tính (ma 1) thì công thức trên không còn chính xác nữa. Điện áp điều biến đ−ợc đ−a vμo mạch điều khiển lμ một điện áp hình sin chuẩn có tần số lμ tần số mong muốn của tần số cơ bản điện áp đầu ra. Tần số đó có giá trị f1 = 1 / 2ω π vμ điện áp sóng điều biến lμ: uđk = Uđkmsin 1ω t điều kiện Uđkm < Uxm Trị số sóng điện áp sóng cơ bản đầu ra có thể tính theo công thức: (uAO)1 = 1sin( ) 2 dk d xm u U t U ω = = ma. 1sin( ) 2 dUtω Biên độ điện áp sóng cơ bản đầu ra: (UAOm)1 = ma.Ud/2 Ta thấy rằng điện áp sóng cơ bản tỷ lên tuyến tính với hệ số điều biến biên độ, chính vì vậy dải điều biến ma <1 đ−ợc gọi lμ dải điều khiển tuyến tính của bộ nghịch l−u. Điện áp dây của sóng điện áp cơ bản: (uAB)1 = 3 (uAO)1 = = 13. .sin( ) 2 d a U m tω Biên độ điện áp dây tần số cơ bản: (UABm)1 = 3 .ma.Ud/2 Trị số điện áp hiệu dụng điện áp sóng cơ bản đầu ra: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 59 (UAB)1 = 3 2 2 .ma.Ud Đặt l = 3 2 2 .ma ta có bảng giá trị các giá trị ma vμ các sóng hμi. ma h 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 l 0,122 0,245 0,367 0,490 0,612 39± 2 39± 4 0,101 0 0,037 0 0,080 0 0,135 0,005 0,195 0,011 2.39± 1 2.39± 5 0,116 0 0,200 0 0,227 0 0,192 0,008 0,111 0,020 3.39± 2 3.39± 4 0,027 0 0,085 0,007 0,124 0,029 0,108 0,064 0,038 0,096 4.39± 1 4.39± 5 4.39± 7 0,100 0 0 0,096 0 0 0,005 0,021 0 0,064 0,051 0,010 0,042 0,073 0,030 2.4. Tính toán chọn van đóng cắt 2.4.1. Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT Điện áp đầu ra lớn nhất của bộ nghịch l−u: 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 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 60 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 = 2 2 2 35 37 39 ...h h hU U U+ + + = = ( )2 2 2 2 2 2 22. 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. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 61 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). Hình 3.9 : Mạch lọc LC ba pha Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 62 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 I U = =1% trong ph−ơng trình trên: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 63 + 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 LCj C ω ω ωω = =+ + = = 2 1 1 LCω− 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 LCω= = − trong đó: + Uhf : điện áp pha của sóng hμi đầu ra Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 64 + Uihf : điện áp pha của sóng hμi đầu vμo. Tần số góc của sóng hμi bậc 37: 7ω = 2. π .37.500 = 116238,92 rad/s Thay số ta có: 2 1,598 1 159,80 1 LCω= − ⇒ 2 99LCω = ⇒ 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 Fμ 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 Hμ Vậy giá trị của các linh kiện trong bộ lọc lμ: C = 50 Fμ L = 146,6 Hμ 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: 7ω = 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 LCω= − ⇒ 2 19LCω = ⇒ LC = 3,52.10-6 Giá trị điện cảm yêu của cuộn cảm bộ lọc: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 65 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 Hμ 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: 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 fP 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 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 66 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 = 80 0C + Tần số đóng cắt tối đa: fmax = 20 kHz Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 67 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 = 25 0C 100 IC Dòng điện Colector khi dẫn liên tục TC = 85 0C 50 A ICM Dòng Colector trongchế độ đóng cắt TC = 25 0C 150 A UGE Điện áp trên Gate - Emitor