Đề tài thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha

Các bộ nghịch lưu được phân làm hai loại: phân loại theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu - Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều.. Điện áp hoặc dòng điện ra của

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN 1

NGÀNH CÔNG NGHỆ KT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

GVHD: T.S PHẠM THỊ XUÂN HOA TÊN SINH VIÊN: NGHIÊM ĐÌNH TUẤN MSSV: 2002207779

LỚP: 11DHDT4

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN 1

NGÀNH CÔNG NGHỆ KT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

GVHD: T.S PHẠM THỊ XUÂN HOA TÊN SINH VIÊN: NGHIÊM ĐÌNH TUẤN MSSV: 2002207779

LỚP: 11DHDT4

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 1

1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài

(1) TRẦN VĂN KHÁNH MSSV:2002207774 Lớp: 11DHDT4

2 Tên đề tài: Thiết kế và thi công mạch nguồn ổn áp thay đổi được 1.25V-20V

3 Nhiệm vụ của đề tài:

Thiết kế mạch và thi công mạch kiểu ổn áp có thể thay đổi được 1.25V đến 20V có dòng 1.25A

4 Ngày giao nhiệm vụ: 14/4/2022

5 Ngày hoàn thành và nộp về khoa:14/7/2022

Tp.HCM, ngày 5 tháng 7 năm 2022.

Trưởng khoa Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Th.s Ngô Hoàng Ấn

-Nhận xét của giảng viên hướng

-Nhận xét của giảng viên phản

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

LỜI CAM ĐOAN vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu 2

2.2 Bộ nghịch lưu áp ba pha 2

2.2.1 Cấu tạo và hoạt động: 2

2.2.2 Phân tích 3

2.2.3 Hệ quả 4

2.2.4 Phương pháp điều biên Six-Step ( Khoảng dẫn linh kiện 180 độ) 4

2.2.5 Phương pháp điều chỉnh six-tep (Khoảng dẫn linh kiện 120 độ) 7

2.3 Bộ nghịch lưu dòng ba pha 8

2.4 Giới thiệu về IGBT 10

2.4.1 Đặc điểm cấu tạo, kí hiệu 10

2.4.2 Các thông số cơ bản của van IGBT; Quá trình điều khiển IGBT 10

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU 13

3.1 Phương pháp điều biên six-tep 13

3.2 Phương pháp điều biên độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) 14

3.3 Phương pháp điều biên độ rộng xung sin SINPWM (Pulse Width Modulation) 14

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 19

4.1 Thiết kế mạch lực 19

4.2 Chọn thiết bị 20

4.3 Giới thiệu sơ bộ về phần mềm mô phỏng PSIM 20

4.4 Các linh kiện sử dụng cho việc mô phỏng mạch nghịch lưu ba pha sử dụng điều chế bể rộng 20

4.5 Dạng sóng mô phỏng 21

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướngdẫn của Ts Phạm Thị Xuân Hoa Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này làtrung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trongcác bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thuthập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong Đồ án 1 còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như sốliệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồngốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung Đồ án của mình Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành Phố

Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ratrong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 6 năm 2022 Sinh viên

Tuấn

Nghiêm Đình Tuấn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, với đòi hỏi của sự phát triển Khoa học – Kỹthuật, thì các thiết bị điện tử ngày càng xuất hiện nhiều và cónhững ảnh hưởng đáng kể đến các lĩnh vực trong kinh tế vàcông nghiệp Và các thiết bị điện tử thì đều đòi hỏi nguồn cungcấp phải có điện áp phù hợp, độ ổn định cao để thiết bị có thểhoạt động tốt và đạt đồ chính xác cao và hệ thống hoạt động

ổn định Các kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp, công suấtcao, kích thước nhỏ gọn, độ ổn định cao đang là một trongnhững vấn đề được chú ý

Từ tầm quan trọng của việc ứng dụng nguồn ổn áp cố định

và ổn áp thay đổi giá trị đó vào trong thực tế thì em đã chọn đềtài : “Thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha

Do kiến thức và khả năng của bản thân em còn nhiều hạnchế nên quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài còn nhiềuthiếu sót, nên em rất mong sự góp ý của thầy cô để em có thểhoàn thiện các đề tài lần sau một cách hoàn thiện và tốt hơn

1.2 Mục đích

Thiết kế và mô phỏng được bộ nghịch lưu ba pha

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: tìm và tham khảo các tài liệu liênquan, vận dụng kiến thức đã được học

Nghiên cứu thực tiễn: Có được kết quả mô phỏng bộnghịch lưu ba pha theo yêu cầu của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu: là bộ biến đổi tĩnh, đảm bảo biến đổi một

chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khoá chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra một cách chu kỳ tạo nên đầu ra xoay chiều Bộ nghịch lưu hoạt động phụ thuộc vào loại nguồn và tải

Các bộ nghịch lưu được phân làm hai loại: (phân loại

theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu)

- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều

- Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều

Nguồn một chiều: là điện áp chỉnh lưu, ắc quy và các

nguồn một chiều độc lập khác Loại nguồn sẽ xác định quan điểm chuyển mạch

Điện áp hoặc dòng điện ra của bộ nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng được tạo nên từ một sóng trong một nửa chu

kỳ gọi là bộ nghịch lưu được điều khiển toàn sóng

Do sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất và phươngpháp điều khiển, người ta sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PMW (Pulse Width Modulation) mỗi nửa chu kỳ được tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích cần nghiên cứu sự làm việc với điều khiển toàn sóng và làm cơ sở so sánh với sự làm việc với điều biến độ rộng xung Tiếp theo sẽ đề cập đến bộ biến tần cộng hưởng có điện áp hay dòng điện cung cấp gần tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng ít suy giảm Chúng thường được sử dụng để cung cấp cho các tải tần số trung bình

có hệ số công suất rất nhỏ (đốt nóng bằng cảm ứng), chúng đòihỏi điều khiển đặc biệt Bộ biến tần nghịch lưu dòng hoặc áp thường được sử dụng trong truyền động điện xoay chiều có tốc

độ thay đổi

2.2 Bộ nghịch lưu áp ba pha

2.2.1 Cấu tạo và hoạt động:

Sơ đồ được ghép từ ba bộ nghịch lưu một pha (hình 1.3a) Giả thiết:

- Van lý tưởng, đóng mở tức thời.

- Nguồn có nội trở vô cùng nhỏ và dẫn điện theo hai chiều

- Van động lực cơ bản làm việc với độ dẫn điện = 180o.

Linh ki n s1, s2, s3, s4, s5, s6 là transistor, mosfet, ho c IGBT Sáu didode D1, D2,D3, D4, D5, D6 ệ ặ

T i xoay chiềồu ba pha đồối x ng th a mãn h th c ả ứ ỏ ệ ứu zAu zBu zC0

- Điều khiển theo quy tắc kích đối nghịch S1-S4, S3-S6, S5-S2 Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải

Tải đấu hình sao

- Trị hiệu dụng áp pha tải

2.2.5 Phương pháp điều chỉnh six-tep (Khoảng dẫn linh kiện 120 độ)

Giản đồ khi khoảng dẫn 120 độ

2.3 Bộ nghịch lưu dòng ba pha

2.4 Giới thiệu về IGBT

2.4.1 Đặc điểm cấu tạo, kí hiệu

IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của Transisto thường IGBT được điều khiển bằng điện áp, có công suất điều khiển yêu cầucực nhỏ

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-

P giữa emitter với collector, không phải N-N như ở MOSFET Có

thể coi IGBT như một Transistor P-N-P với dòng điều khiển bởi

MOSFET

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

Hình B ng thông sôố c b n c a IGBT ả ơ ả ủ

Quá trình mở IGBT

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

MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra

Dòng điện giữa collector- emitter tăng theo qui luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian tr Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá trị

0

GE I

U xác định giá trị dòng I0 qua collector

Do Diode D0 còn đang dẫn dòng tải Io nên điện áp U CE

vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều U DC Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo 2 giai đoạn ttv1 và ttv2 Trong suốt 2giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức

chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector- emitter về giá trị R on khi khóa bão hòa hoàn toàn,U CE ON. I0 R ON Sau thời gian mở ton, khi tụ C gcđã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển và emito tiếp tục tăng theo qui luật hàm mũ, với hằng sốC R gc g đến giá trị cuối cùng U g

Quá trình khóa

Hình Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT

Hình trên thể hiện dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT Quá trình khóa bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ

g

U xuống –U g Trong thời gian trễ khi khóa td(o昀昀) chỉ có tụ

đầu vào C gephóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng

số thời gian C gcrg tới mức điện áp Miller Bắt đầu từ mức Miller điện áp giữ cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện

áp Uce bắt đầu tăng lên do đó tụ C ge bắt đầu được nạp điện Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cge nên điện áp U GEđược giữ không đổi

Điện ápU CE tăng từ giá trị bão hòa U CE ON. tới giá trị điện

áp nguồn U DC sau khoảng thời giant rv Từ cuối khoảng I rv Diodebắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dòng collector bắt đầu giảm Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn t tti1và t tti2 Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng

về không

Điện áp U gcra khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển đầu vào –U gvới hằng số thời gian R G Cge Cgc(  ) Ở cuối khoảng t tti1, U gc đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, U GE th( ) dòng

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ

NGHỊCH LƯU3.1 Phương pháp điều biên six-tep

- Là kết quả so sánh hai tín hiệu: sóng sin biên độ U rm có tần

số f r và sóng mang (Carier) biên độ U pm có tần số caof c Tần sốcàng cao thành phần hài bậc cao càng giảm ở ngõ ra của bộnghịch lưu

- Khi U, >U, khoá lẻ đóng

- Khi U, <U, khoá chắn đóng

Tỷ số điều chế tần số

c f r

f m f



Tỷ số điều biên

rm a pm

U m U

Hình 3.1.Mạch điều khiển cầu một pha

Hình 3.2.Mạch điều khiển cầu ba pha

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ

THỐNG4.1 Thiết kế mạch lực

4.2 Chọn thiết bị

- Mạch nguyên lí

+ Một nguồn DC

+ Điện áp: 220v

+ Dùng sáu con IGBT dẫn và kết nối đến ba pha tải R

Bộ kích IGBT: Một nguồn sin ba pha được kết nối đến các

bộ so sánh và có kết nối chung với một nguồn xung tam giác

4.3 Giới thiệu sơ bộ về phần mềm mô phỏng PSIM

PSIM là viết tắt của POWER Electronics Simulation

Phần mềm mô phong điện tử công suất PESIM của hãng Lab- Volt là một công cụ mạnh cho việc nghiên cứu và học tập điện tử công suất

Trong phần mềm Psim gồm có ba phần +Chương trình thiết kế mạch Schematic

+Chương trình mô phỏng: Simulator

+Chương trình phân tích: ViewSim Một mạch điện thông thưởng gồm có các phần sau tương đương với hai khối.

+ Khối mạch động lực + Khối mạch điều khiển

Mạch động lực là các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC công suất, các máy biến áp điện lực, cuộn kháng san bằng.Mạch điều khiển bao gồm các phần tử được thể hiện theo sơ đồ khối, bao gồm các phần từ tuyến tính, phi tuyến tỉnh, các mạch logic Các cảm biến sẽ do thông số mạch lực để cung cấp cho mạch điều khiển, mạch điều khiển thông qua khỏi điều khiển chuyển mạch sẽ cấp tin hiệu điều khiển chuyển mạch của các van bán dẫn mạch động lực

4.4 Các linh kiện sử dụng cho việc mô phỏng mạch nghịch lưu ba pha sử dụng điều chế bể rộng

a Nguồn ba pha hình sin

b Van IGBT

c Bộ so sánh

d Điện trở

e Nguồn phát xung răng cưa

4.5 Dạng sóng mô phỏng

- Dạng sóng nguồn sin ba pha

- Dạng sóng xung tam giác

- Dạng sóng xung điều khiển

Dạng sóng điện áp tải các pha

Cuối cùng em chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy giáo : T.S PhạmThị Xuân Hoa đã giúp em hoàn thành đề tài này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Thành Tới, Dương Văn Khải, - Thực hành Điện Tử