Thiết kế bộ biến tần một pha sử dụng phương pháp điều chế dộ rộng xung PWM

Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu….. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em được làm đồ án môn học điện tử công suất.
Nhiệm vụ: ” ThiÕt kÕ vµ m« pháng biÕn tÇn cÇu 1 pha.”.
Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất định, em mong được sự góp ý của thầy, cô. Cuối cùng em xin chân thành Thank Thầy cô trong khoa, đặc biệt TS. Nguyễn Hoàng Mai đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này.


Đà Nẵng, ngày 17 tháng 11 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Hoàng Thanh Tú







MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 4
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 4
1.1.1 Bộ nghịch lưu 4
1.1.2 Bộ biến tần 5
1.1.2.1 Biến tần gián tiếp 6
1.1.2.2 Biến tần trực tiếp 8
1.2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 9
1.2.1 Nguyên lý hoạt động và các tham số cơ bản 9
1.2.2 Tụ lọc đầu vào trong nghịch lưu điện áp. 13
CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 14
2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC 14
2.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA 15
2.2.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu điện áp một pha 15
2.2.1.1 Điều chế PWM hình sin hai cực tính 16
2.2.1.2 Điều chế PWM hình sin một cực tính 17
2.2.1.3 Chọn phương án điều chế SWPM 18
2.2.2 Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt 18
2.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 20
2.3.1 Tính toán bộ nghịch lưu 20
2.3.1.1 Chon hệ số điều biến tần số 20
2.3.1.2 Chon hệ số điều biến biên độ 21
2.3.1.3 Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT 21
2.3.1.4 Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT 22
2.3.1.5 Chọn IGBT 22
2.3.1.6 Tản nhiệt cho IGBT 23
2.3.2 Tính toán diode chỉnh lưu và bộ lọc nguồn 24
2.3.2.1 Bộ lọc đầu vào một chiều cho nghịch lưu 24
2.3.2.2 Tính chọn diode chỉnh lưu 24
2.3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu 25
2.3.3 Tính chọn máy biến áp 26
2.3.4 Tính toán bộ lọc tần số đầu ra nghịch lưu 26
2.3.5 Bảo vệ quá dòng cho bộ biến tần 27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28
3.1 CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28
3.2 TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28
3.2.1 Khâu tạo sóng sin 28
3.2.2 Khâu tạo sóng mang tam giác 30
3.2.3 Khâu nghịch đảo sóng sin 31
3.2.4 Khâu so sánh tạo xung 32
3.2.5 Khâu đảo xung điều khiển 32
3.2.6 Khâu cách ly và khếch đại 32
3.2.7 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển. 34
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG DẠNG SÓNG ĐẦU RA VỚI CÁC LOẠI TẢI BẰNG MATLAB SIMULINK 36
4.1 Sơ đồ mạch mô phỏng 36
4.2 Kết quả mô phỏng với tải R-L đèn tuýp 37
4.3 Kết quả mô phỏng với tải R bếp điện 41
4.4 Kết quả mô phỏng với tải động cơ 43
4.5 Kết quả mô phỏng với tải mạ điện R-C-E 46


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN
1.1.1 Bộ nghịch lưu
Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng dòng điện xoay chiều với tần số ra cố định hay thay đổi.
PDC PAC
f=0 f=var
f=const
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng lượng điện xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không thể thay đồi của lưới điện. Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α đuợc xác định theo tần sổ và pha của lưới xoay chiều đó.
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi tuỳ ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được phân thành ba loại:
1. NLĐL điện áp: cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố

PDC PAC
f=0 f≠0
E

NLĐL điện áp

2 NLĐL dòng điện: cho phép biến nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều.
PDC PAC
f=0 f≠0


NLĐL dòng điện
3 NLĐL cộng hưởng: có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòng dao động cộng hưởng RLC.
Tải của NLĐL lả thiết bị điện xoay chiều có thể là một pha hay ba pha, do đó NLĐL cũng được chế tạo hai dạng NLĐL một pha và NLĐL ba pha.
Van bán dẫn sử dụng trong NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu:
Với NLĐL điện áp, van hoạt động dưới tác động của sức điện động một chiều E, điều này tương tự như van trong băm xung một chiều, vì vậy thích hợp phải là van điêu khiên hoàn toàn: các loại transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTO.
Với NLĐL dòng điện và NLĐL cộng hưởng, do tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường được dùng.
1.1.2 Bộ biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều tần số này sang năng lượng dòng điện xoay chiều tẩn số khác.


PAC PDC

U1, f1,m1 U2,f2,m2




1.1.2.1 Biến tần gián tiếp

PAC PDC PDC PAC

U1, f1,m1 U2,f2,m2

Cấu trúc thông dụng của biến tần gián tiếp như hình, qua đây ta thấy để tạo ra nguồn xoay chiều tần số khác với đầu vào phải tiến hành hai quá trình biến đổi năng lượng; chỉnh lưu biến năng lượng xoay chiều về một chiều, sau đó là nghịch lưu để biến đổi ngược lại. Biến tần này còn được gọi là biến tần cỏ khâu trung gian một chiều theo sơ đồ cẩu trúc biến đổi năng lượng. Việc sử dụng NLĐL làm bộ biến đổi tần số đầu ra cho phép biến tần loại này cỏ khả năng thay đổi tẩn số trong phạm vi rộng và độc lập, đây là ưu điểm chủ yếu đem đến ứng dụng rất rộng rãi cùa nó trong thực tế hiện nay. Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất không thật cao do chính quá trình biến đổi năng lượng hai lần.
Khối chỉnh lưu trong biến tần gián tiếp có thế là chỉnh lưu điều khiển hay không điều khiến tuỳ từng trường hợp vào loại nghịch lưu độc lập được dùng và công suất tải.
a. Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập điện áp:
đòi hỏi nguồn một chiều có độ đập mạch nhỏ và ổn định, vì vậy thường dùng chỉnh lưu điốt với khâu lọc một chiều kiểu C hay lọc LC và cỏ cấu trúc như hình, chỉnh lưu điều khiển ít dùng do độ đập mạch điện áp xấu đi nhiều (tăng mạnh) khi điều chỉnh giảm điện áp một chiều.
dẫn có những bước phát triển nhảy vọt, chế tạo các phần tử opto dạng IC rất thuận tiện cho mạch điều khiển. tuy nhiên do dòng điện tải của nó chỉ chịu được vài chục mili Ampe nên không đủ công suất để mở van lực. vì vậy phải có tầng khuếch đại.
Trên thị trường có nhiều loại Driver chuyên dùng để khuếch đại xung IGBT như OptoA3120, OptoM57958L. trong phạm vi đồ án, ta sử dụng driver M57958L.
M57958L là một mạch ghép tích hợp được thiết kế để điều khiển IGBT lực. Nó có 6 chân chức năng. Chân 1 được nối với điện áp so sánh. Chân 2 nối với nguồn 15V. Chân 5 nối đất. Chân 6 và chân 8 nối với nhau bằng 2 tụ điện C5, C6. Giữa C5 và C6 được nối đất. chân 7 nối ra IGBT.
Chức năng các linh kiện trong mạch:
- R20 để biến điện áp thành dòng điện tại đầu cực B của Q1.
- D5 để xén điện áp âm của Uss.
- Q1 có chức năng như 1 công tắc. khi cực B có dòng điện dương thì Q1 dẫn. khi cực B không có dòng thì Q1 khóa
- C5,C6 là tụ lọc điện áp xoay chiều.
- R21 là điện trở hạn chế dòng phóng nạp của tụ điện giữa 2 cực GE..
- D6,D7 dùng để ghim áp cho mạch điều khiển trách hiện tượng dội áp làm hỏng IGBT
Chọn R20= 10kΩ ; C5=C6=47µF; R21= 6,8Ω; UD6= UD7 = 18V
Hình 3.10 Sơ đồ khâu cách ly và khuếch đại.

Hình 3.11 Dạng sóng điện áp của khâu cách ly và khếch đại
Nguyên lý hoạt động của khâu cách ly và khuếch đại
+) Giả sử nửa chu kì đầu của Uss là điện áp dương. Khi đó có dòng đi qua R20 vào cực B của Q1 làm cho Q1 dẫn. Đoạn mạch từ nguồn +15V tại điểm 2 thành mạch kín. Có dòng điện chạy từ nguồn +15V qua điện trở, Diode phát quang và Q1 về mass. Khi đó Diode phát quang sẽ tạo tín hiệu ánh sáng qua với Diode bên đối điện. Diode này dẫn tạo thành mạch kín. Làm cho BJT NPN dẫn. Điện áp tại cực B của MOSFET là -10V. cực S của MOSFET cũng bằng -10V. Làm cho MOSFET khóa. Khi MOSFET khóa, 2 con BJT tầng trên sẽ dẫn, 2 con BJT tầng dưới sẽ khóa. Cuối cùng thì điện áp tại cực G của IGBT là +15V ( lý tưởng). làm cho IGBT mở.
+) Trong thời gian nửa chu kì sau của Uss là điện áp âm. Do có Diode D5 làm cho cực B có điện áp bằng 0. Khi đó Q1 khóa, không có dòng đi qua R20. Đoạn mạch từ nguồn +15V tại điểm 2 thành mạch hở. Diode nhận tín hiệu quang sẽ khóa. Làm cho BJT NPN khóa lại. Điện áp tại cực B của MOSFET là 0V. cực S của MOSFET cũng bằng -10V. Làm cho MOSFET mở. Khi MOSFET ở, 2 con BJT tầng trên sẽ khóa, 2 con BJT tầng dưới sẽ dẫn. điện áp tại cực G của IGBT là -10V ( lý tưởng). làm cho IGBT khóa.
1.1.1 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển.
Mạch điều khiển sử dụng điện áp ±12V, Phần cách ly sử đụng điện áp +15V và -10V. Nguồn nuôi cho mạch điều khiển ta dùng IC ổn áp chế tạo sẵn trong đó seri 78xx và 79xx thông dụng nhất hiện nay. Dòng tải cho phép của loại này là 1,5A (có tản nhiệt) thỏa mãn yêu cầu của mạch điều khiển. Ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng diode.


Xem link download tại Blog Kết nối!
Music ♫

Copyright: Tài liệu đại học ©