Tiểu luận Điện tử công suất nâng cao

MỤC LỤCCHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN11.Bộ chuyển đổi Buck12.Bộ chuyển đổi Boost13.Nghịch lưu, biến tần23.1.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha23.1.1.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu23.1.2.Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng bán cầu43.2.Bộ nghịch lưu ba pha53.2.1.Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp53.2.2.Phương pháp điều khiển sáu bước53.2.3.Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM63.3.Bộ nghịch lưu áp đa bậc83.4.Bộ nghịch lưu nguồn dòng123.4.1.Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha123.4.2.Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha134.Bộ biến tần134.1.Biến tần trực tiếp144.1.1.Biến tần trực tiếp một pha144.1.2.Biến tần trực tiếp ba pha144.1.3.Biến tần gián tiếp ba pha15CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ PWM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BAPHA161.Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm MatlabSimulink161.1.Khối nguồn sin chuẩn171.2.Khối tạo xung răng cưa171.3.Khâu đo dòng điện, điện áp171.4.Sơ đồ mô phỏng mạch động lực181.5.Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển182.Kết quả mô phỏng19

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

KHOA SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NÂNG CAO

GVHD: TS Phan Như Quân HVTH: Lê Văn Long

Võ Minh Khoa Lớp: 21CD911

Khóa học: 2021-2023

ĐỒNG NAI, 03/2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN 1

1 Bộ chuyển đổi Buck 1

2 Bộ chuyển đổi Boost 1

3 Nghịch lưu, biến tần 2

3.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha 2

3.1.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu 2

3.1.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng bán cầu 4

3.2 Bộ nghịch lưu ba pha 5

3.2.1 Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp 5

3.2.2 Phương pháp điều khiển sáu bước 5

3.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 6

3.3 Bộ nghịch lưu áp đa bậc 8

3.4 Bộ nghịch lưu nguồn dòng 12

3.4.1 Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha 12

3.4.2 Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha 13

4 Bộ biến tần 13

4.1 Biến tần trực tiếp 14

4.1.1 Biến tần trực tiếp một pha 14

4.1.2 Biến tần trực tiếp ba pha 14

4.1.3 Biến tần gián tiếp ba pha 15

CHƯƠNG II MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ PWM ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU BA PHA 16

1 Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink 16

1.1 Khối nguồn sin chuẩn 17

1.2 Khối tạo xung răng cưa 17

1.3 Khâu đo dòng điện, điện áp 17

1.4 Sơ đồ mô phỏng mạch động lực 18

1.5 Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển 18

2 Kết quả mô phỏng 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Sơ đồ mạch Buck 1

Hình 1 2: Sơ đồ mạch Boost 1

Hình 1 3: Sơ đồ VSI một pha dạng cầu 2

Hình 1 4: Các dạng sóng của bộ nghịch lưu cầu một pha 3

Hình 1 5: Giản đồ kích cho S1 và S2 4

Hình 1 6: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin 4

Hình 1 7: Cấu trúc bộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc 5

Hình 1 8: Khoảng dẫn mỗi công tắc là 1800 6

Hình 1 9: Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung 7

Hình 1 10: Giản đồ tạo xung kích 7

Hình 1 11: Các dạng sóng dòng và áp pha 8

Hình 1 12: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp 9

Hình 1 13: Nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp 9

Hình 1 14: Điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu áp ba bậc 10

Hình 1 15: Sóng mang và sóng điều chế của kỹ thuật điều chế SPWM 10

Hình 1 16: Kết quả mô phỏng của bộ nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp với phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM 11

Hình 1 17: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 11

Hình 1 18: Các điện áp thành phần của nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 12

Hình 1 19: Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha 12

Hình 1 20: Bộ nghịch lưu nguồn dòng có mắc một tụ song song với tải 13

Hình 1 21: Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha 13

Hình 1 22: Biến tần trực tiếp một pha 14

Hình 1 23: Biến tần trực tiếp ba pha 14

Hình 1 24: Biến tần gián tiếp ba pha 15

Hình 2 1: Sơ đồ mô phỏng điều chế PWM điều khiển nghịch lưu ba pha 16

Hình 2 2: Dạng sóng Phase A, Phase B, Phase C, sóng mang 5 KHz biên độ -1 đến 1 19

Hình 2 3: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S1 sau khi qua bộ so sánh Relational

Operator và cổng Logic 19

Hình 2 4: Dạng sóng PWM tín hiệu điều khiển S2 sau khi qua bộ so Relational Operator và cổng Logic 20

Hình 2 6: Dạng sóng dòng điện IGBT/Diode 20

Hình 2 7: Dạng sóng VT1 21

Hình 2 8: Dạng sóng IT1 , IT2 , IT3 21

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI, NGHỊCH LƯU, BIẾN TẦN

1 Bộ chuyển đổi Buck

L i

L v K

0

V C

i

R i

+

x v

L i

L V

K

D i

0

V C

i

Hình 1 2: Sơ đồ mạch Boost

Bộ biến đổi này là biến đổi điện áp có cấp, trong thực tế nhiều khi cần các bộ biến đổi điện áp vô cấp và không chỉ dùng với nguồn xoay chiều mà còn dùng với cả nguồn một chiều nữa Vì vậy các biến áp không đáp ứng được điều này Ngày nay người ta sử dụng các bộ biến đổi điện áp dạng băm xung làm điều này Hầu hết chúng

sử dụng theo nguyên lí băm xung đó là dùng các khóa điện tử để nối tải với nguồn trong một thời gian theo chu kì T nhất định Điện áp ra sẽ thay đổi theo chu kì T và thời gian đóng cắt của khóa điện tử

3 Nghịch lưu, biến tần

Bộ nghịch lưu có chức năng chuyển đổi nguồn áp hay nguồn dòng một chiều thành nguồn áp hay nguồn dòng xoay chiều Dạng sóng đầu ra là xoay chiều AC có biên độ, tần số và góc pha điều chỉnh được Tùy theo dạng nguồn sơ cấp cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn áp hay nguồn dòng mà ta có tên gọi là: bộ nghịch lưu nguồn áp hay bộ nghịch lưu nguồn dòng Nguồn cung cấp sơ cấp có thể là nguồn ắc quy riêng lẻ hoặc là nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu để tạo thành một chiều (DC) sau đó biến đổi ngược trở lại thành xoay chiều, điện áp xoay chiều ở ngõ ra có tần số và biên độ khác với áp xoay chiều được cung cấp từ ngõ vào

Các linh kiện dùng trong bộ nghịch lưu thường là phải dùng các linh kiện có khả năng điều khiển đóng - ngắt được bởi vì đầu ra của bộ nghịch lưu thường được nối với các tải cảm nên dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Bộ nghịch lưu được dùng nhiều trong các ứng dụng như là: điều khiển tốc độ động cơ AC, trong các bộ lưu điện UPS, bộ bù tĩnh, mạch lọc tích cực, các hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTs), các bộ nghịch lưu hòa lưới dùng năng lượng mặt trời, năng lượng gió, … Bộ biến tần thì thường có hai dạng: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) tạo nên điện áp trực tiếp ở ngõ

ra có trị hiệu dụng và tần số thay đổi được, tức là từ AC ra AC Bộ biến tần trực tiếp thường sử dụng cho những ứng dụng có công suất vừa và nhỏ Biến tần gián tiếp tạo nên điện áp ở ngõ ra một cách gián tiếp, tức là từ AC chỉnh lưu ra DC rồi từ DC

nghịch lưu ra lại AC Biến tần gián tiếp được sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn, chất lượng điện áp đầu ra tốt hơn

3.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha

3.1.1 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu

Trong đó: UDC: là điện áp nguồn DC cấp vào bộ nghịch lưu

u0: là điện áp AC đầu ra bộ nghịch lưu

i0: là dòng chạy qua tải

Giả sử đầu ra bộ nghịch lưu được mắc vào một tải gồm R nối tiếp với L Linh kiện dùng trong bộ nghịch lưu phải có khả năng kích đóng và kích ngắt được dòng điện qua nó Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ có thể dùng BJT, IGBT, MOSFET và công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT Thông thường các công tắc còn trang bị thêm một Diode mắc đối song với nó nhằm mục đích bảo vệ quá điện áp khi các công tắc đóng ngắt, gọi chung là các công tắc

b) Điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha dạng cầu

Có 2 cách phổ biến được dùng để điều khiển cho bộ nghịch lưu cầu một pha là: điều khiển theo dạng sóng vuông và điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung Sin

c) Phương pháp điều khiển theo dạng sóng vuông

Phương pháp điều khiển theo sóng vuông có nghĩa là các cặp công tắc S1- S2

và S3-S4 được điều khiển đóng ngắt luân phiên với khoảng thời gian như nhau và đều bằng T/2 Do đó, điện áp đầu ra đặt lên tải sẽ có dạng sóng vuông có độ rộng đều nhau

Trạng thái đóng ngắt của các công tắc và điện áp đầu ra u0

Từ bảng trên chúng ta có thể thấy rằng bộ nghịch lưu cung cấp một điện áp đầu

ra có dạng sóng vuông Dạng sóng vuông này có dáng hình Sin, mặc dù chưa phải là Sin lý tưởng nhưng cũng có thể thỏa mãn cho một vài ứng dụng không đòi hỏi chất lượng điện áp cao

Hình 1 4: Các dạng sóng của bộ nghịch lưu cầu một pha

3.1.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng bán cầu

Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng bán cầu có cấu tạo chỉ gồm 2 khóa bán dẫn S1 và S2, nguồn áp DC được chia ra thành hai phần tương ứng cho C1 và C2 với điện áp tương ứng là UDC/2 như ở hình 1.5

Hình 1 5: Giản đồ kích cho S1 và S2 Theo giản đồ kích ở hình 1.5 thì điện áp đầu ra trên tải cũng có dạng sóng vuông nhưng với biên độ là ±UDC/2 chứ không phải là ±UDC như bộ nghịch lưu cầu đầy đủ

Hình 1 6: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin

3.2 Bộ nghịch lưu ba pha

3.2.1 Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp

Bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp có cấu trúc như ở hình 1.7

Hình 1 7: Cấu trúc bộ nghịch lưu nguồn áp hai bậc

Điều khiển cho bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp

3.2.2 Phương pháp điều khiển sáu bước

Phương pháp điều khiển 6 bước (six-step) nghĩa là: các công tắc được kích đóng lệch nhau 600 và khoảng dẫn của mỗi công tắc là 1800 Với sơ đồ chuyển mạch như trên thì điện áp đầu ra cấp cho tải uAN được tạo thành bởi 6 bước điện áp từ sự chuyển mạch của 6 công tắc trong một chu kỳ Do đó bộ nghịch lưu này còn gọi là bộ nghịch lưu 6 bước (six-step inverter) Dưới đây là phân tích cho khoảng dẫn của mỗi công tắc tương ứng với 1800 Giản đồ xung tương ứng với khoảng dẫn của mỗi công tắc là 1800 được biểu diễn như ở hình 1.8 Để xác định được trạng thái của các công tắc trong phương pháp điều khiển 6 bước thì ta xét đồ thì hình 2.8 theo chiều dọc, chẳng hạn như bước đầu tiên ta sẽ có S1-S5-S6 đóng, bước tiếp theo sẽ là S1-S2-S6 đóng, bước tiếp theo sẽ là S1-S2-S3 đóng, bước tiếp theo sẽ là S2-S3-S4 đóng, bước tiếp theo sẽ là S3-S4-S5 đóng, bước tiếp theo sẽ là S4-S5-S6 đóng, rồi quay trở lại bước S1-S5-S6 đóng, … Quá trình cứ thế lặp lại

Hình 1 8: Khoảng dẫn mỗi công tắc là 1800

3.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM

Tương tự như một pha, nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM là dựa trên cơ sở so sánh của hai tín hiệu:

- Tín hiệu sóng mang tần số cao (carrier signal) dạng tam giác

- Tín hiệu sóng điều khiển (reference signal) hoặc sóng điều chế dạng sin Sóng mang có tần số càng cao thì lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trên tải càng ít Tuy nhiên, khi tần số càng cao thì tổn hao do quá trình đóng ngắt của các công tắc càng lớn Sóng điều chế ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn trị hiệu dụng và tần

số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra

Hình 1 9: Nguyên lý phương pháp điều chế độ rộng xung

Hình 1 10: Giản đồ tạo xung kích

Hình 1 11: Các dạng sóng dòng và áp pha

3.3 Bộ nghịch lưu áp đa bậc

Các bộ nghịch lưu nguồn áp nghiên cứu ở trên chỉ có 2 bậc và nó thường ứng dụng cho các tải có công suất vừa và nhỏ

Bộ nghịch lưu áp 2 bậc có các nhược điểm:

- Điện áp đầu ra cung cấp cho tải có độ dốc khá lớn, do đó nó có nhiều thành phần hài đặt lên tải

- Điện áp tâm tải-tâm nguồn khác không Để giải quyết được các nhược điểm trên thì bộ nghịch lưu áp đa bậc ra đời Bộ nghịch lưu áp đa bậc thường được sử dụng cho các ứng dụng có điện áp cao và công suất lớn

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

- Điện áp đầu ra đặt lên tải gần giống với sóng Sin lý tưởng hơn (ít độ dốc hơn)

- Lượng sóng hài bậc cao đặt lên tải giảm đi đáng kể

- Công suất của bộ nghịch lưu được tăng lên

- Điện áp đặt lên các thiết bị chuyển mạch giảm, giảm tổn hao trong quá trình đóng ngắt khi cùng tần số chuyển mạch

Tuy vậy, bộ nghịch áp đa bậc cũng tồn tại khuyết điểm là sơ đồ phức tạp và vì vậy phần mạch điều khiển cũng phức tạp hơn, điều khiển khó hơn Do đó, trong thực

tế việc sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc thường chỉ sử dụng đến bậc ba là có thể đáp ứng được phần lớn các yêu cầu và việc chọn bộ nghịch lưu áp hai bậc hay đa bậc phải được cân nhắc kỹ

Cấu trúc của các bộ nghịch lưu áp đa bậc thường được biểu diễn dưới hai dạng sau đây: a) Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc chứa Diode kẹp (Neural Point Clamped Multilevel Inverter – NPC) hoặc (Diode Clamped Multilevel Inverter) Mô hình này phân chia nguồn DC thành các phần nhỏ bởi các tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nguồn

DC được chia thành 5 nguồn nối tiếp nhau thì điện áp pha – nguồn DC sẽ có (n+1) giá trị khác nhau Gọi là sáu bậc vì sơ đồ này tạo ra được các điện áp pha – tâm nguồn DC

có 6 giá trị khác nhau là UDC, 2UDC, 3UDC, 4UDC, 5UDC và 0 Trong các mô hình

bộ nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp thì bộ nghịch lưu áp ba bậc chứa diode kẹp như ở hình 1.11 là được sử dụng rộng rãi nhất Trong mô hình ở hình 1.11 thì nguồn được phân chia thành làm hai phần bằng nhau bởi các tụ dung lượng lớn tương ứng điện áp trên 299 mỗi tụ là /2 UDC và nhờ các diode kẹp mà điện áp đặt lên mỗi linh kiện chuyển mạch chỉ là /2 UDC

Hình 1 12: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc chứa diode kẹp

Hình 1 13: Nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp

Hình 1 14: Điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu áp ba bậc

Hình 1 15: Sóng mang và sóng điều chế của kỹ thuật điều chế SPWM

Hình 1 16: Kết quả mô phỏng của bộ nghịch lưu áp ba bậc dùng diode kẹp với

phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM

Hình 1 17: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade

Hình 1 18: Các điện áp thành phần của nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade

3.4 Bộ nghịch lưu nguồn dòng

Bộ nghịch lưu nguồn dòng có nguồn cấp vào bộ chỉnh lưu là nguồn dòng một chiều

Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường được sử dụng trong truyền động động cơ điện xoay chiều và lò cảm ứng

3.4.1 Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha

Hình 1 19: Bộ nghịch lưu nguồn dòng một pha Trên hình 1.19 các linh kiện chuyển mạch phải có khả năng điều khiển đóng – ngắt được dòng điện Do đó ta có thể dùng khóa IGBT nối tiếp với Diode hoặc dùng SCR, GTO nối tiếp với Diode Trong bộ nghịch lưu nguồn dòng tải thường mang tính cảm do đó khi chuyển trạng thái đột ngột nó sẽ gây ra quá điện áp đặt lên các công tắc

Hình 1 20: Bộ nghịch lưu nguồn dòng có mắc một tụ song song với tải

Để khắc phục trường hợp này thì trong các sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha người

ta thường mắc thêm một Diode mắc nối tiếp với công tắc Trong trường hợp L lớn thì

để tránh cho dòng tải thay đổi đột ngột khi chuyển trạng thái người ta thường mắc một

tụ song song với tải Tuy nhiên khi lắp thêm tụ vào tải thì sẽ gây ra hiện tượng tích xả năng lượng ở tụ dễ gây ra hiện tượng quá điện áp ở tụ Trong trường hợp này cần phải

có một mạch xả năng lượng từ tụ về lưới

3.4.2 Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha

Hình 1 21: Bộ nghịch lưu nguồn dòng ba pha Cũng giống như bộ nghịch lưu dòng một pha, bộ nghịch lưu dòng ba pha cũng chứa các Diode cao áp để bảo vệ, tụ tích xả năng lượng

4 Bộ biến tần

Bộ biến tần là một thiết bị dùng để biến đổi một điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có tần số cố định thành điện áp hoặc dòng điện có tần số khác ở đầu ra Do bộ biến tần thay đổi được tần số cho nên ứng dụng nổi bậc nhất của bộ biến tần là dùng

để điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số Ngoài việc thay đổi tần số, bộ biến tần còn thay đổi tổng số pha chẳng hạn từ đầu vào xoay chiều 1 pha thì bộ biến tần có thể tạo ra được 3 pha xoay chiều mắc vào tải động

cơ 3 pha Ngoài ra bộ biến tần còn sử dụng trong các kỹ thuật nhiệt luyện

Phân loại:

Nếu dựa vào số pha thì ta có:

- Biến tần một pha

- Biến tần ba pha

- Biến tần nhiều pha

Nếu dựa vào cấu trúc thì có:

- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp

4.1 Biến tần trực tiếp

4.1.1 Biến tần trực tiếp một pha

Hình 1 22: Biến tần trực tiếp một pha Nguồn điện xoay chiều có biên độ và tần số không đổi cung cấp nguồn cho bộ biến tần này Biến tần trực tiếp tạo nên được điện áp ở đầu ra có tần số và biên độ thay đổi được Nó cấu tạo gồm hai bộ chỉnh lưu kép Quá trình chuyển mạch của bộ biến tần này thường có hai loại là chuyển mạch phụ thuộc và chuyển mạch cưỡng bức Chuyển mạch cưỡng bức thường dùng các bộ chuyển đổi ma trận Chuyển mạch phụ thuộc thì thường dùng trong công nghiệp hơn

4.1.2 Biến tần trực tiếp ba pha

Hình 1 23: Biến tần trực tiếp ba pha Trong đó ta thấy có hai dạng là dạng mắc nguồn chung (tức là có chung nguồn thứ cấp biến áp) và dạng mắc nguồn riêng (tức là ba nguồn cung cấp cho ba pha là từ

ba cuộn dây thứ cấp biến áp) Với cấu trúc sử dụng nguồn chung thì khi chuyển mạch các linh kiện nhóm nửa trên mạch cầu có thể cùng đóng dẫn đến ngắn mạch nguồn Với cấu trúc có chung nguồn thứ cấp biến áp thì đòi hỏi mạch tải ba pha phải có điểm trung tính để hở