Đồ án cơ điện đề tài thiết kế bộ nghịch lưu nguồn áp độc lập một pha

1.2 Phân loại Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại : 1.2.1.Nghịch lưu áp - Bộ nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ



ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP ĐỘC

LẬP MỘT PHA

HỌ VÀ TÊN : MAI ĐỨC DƯƠNG

MSSV : 38164

LỚP : 64MEC

HÀ NỘI, NĂM 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 3

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 3

1.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu 3

1.2 Phân loại 3

1.2.1.Nghịch lưu áp 3

1.2.2.Nghịch lưu dòng 5

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ÁP 8

2.1 Phân tích bộ nghịch lưu áp một pha 8

2.2 Giới thiệu về các cách điều chế 10

2.2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung SinPWM 10

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian điện áp – SVM 12

2.2.3.So sánh giữa phương pháp điều chế SinPWM và phương pháp điều chế SVM 13

CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA ĐỘC LẬP 14

3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 14

3.2 Các phương pháp chọn van cho sơ đồ 15

3.2.1 Phương pháp toán tử Laplace 15

3.2.2 Phương pháp điều khiển sóng vuông 15

3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM 17

CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU

1.1 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 1 chiều , nhờ các khoá chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra một cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều

1.2 Phân loại

Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại :

1.2.1.Nghịch lưu áp

- Bộ nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực

tế Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao

- Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất các van động lực điều khiển hoàn toàn còn ngỏ Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến hiệu suất của bộ biến đổi giảm , sơ đồ điều khiển phức tạp

- Ngày nay công suất của các van động lực IGBT , MOSFET càng trở nên lớn và kích thước gọn nhẹ , do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trở thành

bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hòa trong các bộ biến tần công nghiệp Do

đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau khi sử dụng van điều khiển hoàn toàn

- Sơ đồ mạch nghịch lưu áp được trình bày như sau

* Sơ đồ nguyên lý

Hình1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha

b, Nguyên lý làm việc

- Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua ( dòng tải đi từ B đến A ) Khi t=0 cho xung mở T1 và T3 , T2 và T4 khóa lại, dòng tải i s= -I M không thể đảo chiều một cách đột ngột Nó tiếp chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch D1 đến E đến D3 đến tải D1 và suy giảm dần , D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóa Khi t= t1 , i =0 , D1 và D3 bị khóa lại , T1 và T3 sẽ mở lại do vẫn còn sung điều khiển tác động ở các cực G1,G3 dòng tải i > 0 và tăng chảy theo chiều từ A đến B

- Giai đoạn t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng Khi t = T/2 (tại thời điểm t2) cho xung mở t2 và T4,T1 và T3 bị khóa lại , dòng tải chạy qua D2 và D4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại Khi t =t3 , i=0 , T2 và T4 sẽ mở lại , i < 0 chảy theo chiều B đến A Dòng tải I biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im

c, Dạng sóng dòng điện , điện áp trong mạch

Hình : Dạng sóng dòng điện , điện áp trong mạch nghịch lưu áp 1 pha

1.2.2.Nghịch lưu dòng

- Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có nguồn là dòng điện Bộ nghịch lưu dòng

sử dụng trong lĩnh vực truyền động động cơ điện xoay chiều và cho là cảm ứng Tương tự như bộ nghịch lưu áp , ta phân biệt bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch tư nhiên ( phụ thuộc )

- Bộ nghịch lưu dòng có quá trình chuyển đổi cưỡng bức được áp dụng cho tải tổng quát Trong trường hợp tải mang tính dung kháng , bộ nghịch lưu có thể sử dụng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc và sử dụng linh kiện bán dẫn như Thyristor

- Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng một pha được trình bày như sau

Hình1.1 : sơ đồ cấu một pha

* Nguyên lí làm việc

Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi thyritstor T1,T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3,T4 một góc 180 độ điện Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn do đó dòng điện vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu

là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2, dòng điện i =i d =I d Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến,tụ C bắt đầu nạp với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không Do i = i c =i d =const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau

đó dòng qua tải tăng lên Sau một nửa chu kỳ (t=t1¿ người ta đưa vào mở cặp T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-) Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1,T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại Quá trình chuyển mạch gần như tức thời Sau đó tụ C sẽ nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái Dòng nghịch lưu i¿i d =−i d ( đã đổi dấu) Đến thời điểm t =t2

, người ta đưa xung vào mở T1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Thyritstor Tại thởi điểm t1, khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào Khoảng thời gian duy trù điện áp ngược (t1¿t '1 ¿¿ là cần thiết để duy trì quá trình khóa và phục hồi tính điều khiển của van và t '1−t1=t k ≥ t off là thời gian khóa của Thyritstor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển

β=w.tk là góc khóa của nghịch lưu

* Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA VÀ

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ÁP

2.1 Phân tích bộ nghịch lưu áp một pha

- Giả thiết hai pha tải đối xứng :

u t 1 +u t 2=0

- Nguồn áp U được phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm nút phân thế O Gọi

N là điểm nút của tải hai pha Điên áp pha tải u t 1 ,u t 2 ta có :

u t 1 =u10−u NO

u t 2 =u20−u NO

- Điện áp u10,u20 được gọi là các điện áp pha

Cộng các hệ thức trên và để ý rằng u t 1 +u t 2=0 ta có :

0=u10+u20−2u NO

Từ đó u NO=u10+u20

2 Thayu NO vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải , ta có:

u t 1=u t

2=

u10−u20

2

u t 2=−u t

2 =

u20−u10

2

Rõ ràng u t=u t 1

2 =

−u t 2

2 =u10−u20

Nếu các công tắc được kích theo quy tắc đối nghịch , ta có thể xác định dạng áp trên tải dựa trên giản đồ kích công tắc và điện áp nguồn

u10= +U2 nếukích S1ngắt S4

u10=−U

2 nếu kích S4ngắt S1

u20= +U2 nếukích S3ngắt S2

u20= U2 nếukích S2ngắt S3

2.2 Giới thiệu về các cách điều chế

Có nhiều phương pháp và thuật toán đưa ra để điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc Nhưng có

ba phương pháp thường được chọn sử dụng là các phương pháp sau:

- Phương pháp điều chế độ rộng xung (SINPWM)

- Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO –PWM)

- Phương pháp điều chế vector không gian.(SVM)

2.2.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung SinPWM

SinPWM là phương pháp so sánh một sóng sin chuẩn , có tần số bằng tần số của điện áp ra sau nghịch lưu mong muốn , với một điện áp răng cưa tần số cao khoảng 2kHz – 10kHz , từ đố thay đổi được độ rộng xung đưa vào các van

Nguyên lý điều chế SinPWM

Có hai phương pháp điều chế sóng mang :

- Dịch pha sóng mang ( Phase – shifted )

- Dịch mức sóng mang ( Level – shifted )

a) Dịch pha sóng mang

Ở phương pháp này sóng mang được dịch 1 góc q ( q là góc dịch pha giữa 2 sóng mang

liên tiếp ) so sánh với sóng sin chuẩn , ( N là số van tác động trên mỗi mức điện

áp )

Phương pháp dịch pha sóng mang b) Dịch mức sóng mang

Thực hiện N -1 sóng mang có cung biên độ và tần số , với N là số SM trên mỗi nhánh của pha Với mỗi tín hiệu sóng mang có thể tạo ra một mức điện áp cho bộ nghịch lưu Ta

có 3 kiểu bố trí sóng mang :

- IDP ( In Phase Disposition ) Sóng mang cùng pha

- POD (Phase Opposite Disposition ) Sóng mang đối xứng qua trục thời gian

- APOD ( Altermative Phase Opposite Disposition ) Sóng mang ngược pha giữa hai sóng mang kề nhau , dịch 1 góc

Phương pháp dịch mức sóng mang

Ưu điểm của phương pháp điều chế SinPWM :

 Đơn giản , dễ thực hiện

 Việc điều chỉnh điện áp và tần số ra chỉ thông qua điều chỉnh biên độ và tần số điện áp điều khiển đưa vào mạch điều chế V

Nhược điểm của phương pháp điều chế SinPWM :

 Điện áp common mode ( điện áp giữa tâm tải và tâm nguồn DC ) lớn là một trong những các nguyên nhân gây hư hỏng động cơ

 Các khóa công suất đóng cắt theo điện áp điều khiển và sóng mang không lựa chọn được do đó không tối hóa để giảm số lần chuyển mạch nên tổn hao lớn

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian điện áp – SVM

Phương pháp điều chế vector không gian Space Vector Modulation (SVM ) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều , sau đó được

mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha SVM có thể dễ dàng linh hoạt hơn để tối

ưu hóa xung chuyển mạch do sự tồn tại của các trạng thái mạch dự phòng và chu kỳ điều chế điều chỉnh và phù hợp để thực hiện kỹ thuật số

Trên lý thuyết điều chế vector không gian có thể ứng dụng cho các bộ biến đổi nhiều mức Tuy nhiên , sẽ rất khó khăn trong việc tính toán vector trạng thái khi tăng số lượng mức điện áp , vì vậy khi số lượng điện áp lớn cần chọn phương pháp phù hợp hơn Điều chế vector chủ yếu ứng udngj trong điều khiển chuyển động xoay chiều ba pha , các mạch lọc tích cực , điều khiển các hệ thống công suất trên hệ thống truyền tải điện

Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian

 Xem điện áo hình sin như một vector có biên độ không đổi và quay với tốc độ ( tần

số ) không đổi

 Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xủ điện áp đặt Vref bằng một kết hợp của tám vector chuyển mạch từ ( V0 đến V7 )

 Chuyển đổi tọa độ ( từ hệ tọa độ tự nhiên abc sang hệ tọa độ cố định Stato αβ) : Một vector điện áp ba pha được chuyển thành một vector trong hệ tọa độ cố định

αβ mà các thành phần của nó thể hiện các thành phần của vector không gian là tổng điện áp ba pha

 Các vector ( V1 đến V6 ) chia mặt phẳng thành sáu phần – Sector ( mỗi sector : 60 ° )

 Vref được tạo ra bằng cách kết hợp hai vector tích cực và hai vector zero

2.2.3.So sánh giữa phương pháp điều chế SinPWM và phương pháp điều chế SVM

 Phương pháp điều chế SVM tạo ít sóng hài trong điện áp và dòng điện ra hơn so với phương pháp điều chế SinPWM

 SVM tận dụng hiệu quả hơn điện áp một chiều đầu vào so với SinPWM

→ SinPWM :

Vùng điều chế được nằm phía dưới đường tròn có bán kính bằng

→ SVM :

Vùng điều chế được nằm phía trong đường tròn có bán kính bằng

Tận dụng điện áp : SVM bằng 1,15 lần so với SinPWM

CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP

MỘT PHA ĐỘC LẬP 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch

Hình: Sơ đồ khối toàn mạch

NGUỒN

220 VAC

KHỐI CHỈNH

KHỐI CÔNG

NGUỒN ĐIỀU KHIỂN

KHỐI KHUẾCH ĐẠI KHỐI ĐIỀU

KHIỂN

3.2 Các phương pháp chọn van cho sơ đồ

3.2.1 Phương pháp toán tử Laplace

Dòng điện áp xoay chiều trên tải Ut có thể chuyển đổi về dạng biến đổi Laplace như sau:

U t(p)= 1

1−e − pt∫

0

t

e − pt E dt

I t(p)=U t(p)

Z(p)

L t(p)= E

R t[1− 2.e

R t

L t t

1+e

−R t

L t T] Phương pháp này phức tạp nên ít dùng

3.2.2 Phương pháp điều khiển sóng vuông

Tải là (R+L)

Ta có biểu thức dòng tải i (T1,T3¿mở : L di

dt +R.i=E → di dt +a.i= a E R

Dạng Laplace

pI(p)−i(0)+a I(p)= a E R p

Với điều kiện ban đầu: i(0)=−I m ;a= R

L →i= E R(1−e −at)−I m .e −at

Khi T2 ,T4 mở ta có phương trình :

−L di dt −R i=E →i= E R(1−e −a(t− T2) )−I m .e −a(t− T2 )

Điện áp tải có dạng “hình sin chữ nhật” đối xứng Nó là 1 hàm lẻ , chu kì Triển khai Fourirer ta được:

u= 4 E π (sinωt+ 13sin 3ωt + 15sin 5ωt+…)

*Tính chọn IGBT và Điot

Áp dụng công thức : i= E R(1−e −at)−I m .e −at

Ứng với t= T

2 ,i=I m →I m=

E

R(1−e −a T2)

1+e −aT2

Với t=t1,i=0→0= E

R(1−e −at1)−I m e −at1→t1= L

Rln(E

R +I m

E

Trị trung bình của dòng qua điot:

I D=−1

T ∫

0

t1

idt=−1

T ∫

0

t1

[E

R(1−e −at −I m .e −at) ] dt

I D =−f.E R .t1+f (E

R +I m).(1−e −at1

a )

Điện áp ngược max đặt lên điot là -E(v)

→ Từ giá trị I D và điện áp ngược đặt lên điot ta chọn được loại điot cho D1,D2, D3,D4

Trị trung bình dòng qua IGBT :

I T= 1T∫

t1

T

2

idt= 1 T∫

t1

T

2

[E

R(1−e −at −I m .e −at) ].dt

I T =f.E

R .( T2−t¿¿1)+f (E

R + I m).(e −a T2 −e −at1

a )¿ Điện áp ngược lớn nhất đặt trên IGBT : -E(v)

Điện áp thuận lớn nhất đặt trên IGBT : E(v)

⇒Từ giá trịI t kết hợp vớiđiện ápthuận vàđiệnáp ngược đặt lên IGBT ta chọnđượcIGBT cầntìm

3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung sin PWM

Thực tế thường sử dụng để giảm bớt kích thước của bộ lọc để đảm bảo chất lượng điện áp

ra có dạng gần hình Sin Điều chế độ rộng xung cần phải được thực hiện theo quy luật điều khiển sin

Sơ đồ cấu trúc:

Tín hiệu hình sin u m(t)có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp ra của nghịch lưu sẽ được so sánh với tín hiệu răng cưa u m(t) và tạo ra các xung có độ rộng tương ứng ở các thời điểm mà u m(t)=u m(t)

Đường cong sóng điều hòa bậc 1 ở đầu ra của nghịch lưu sẽ có tỷ lệ sóng điều hòa bậc cao rất nhỏ so với sóng bậc 1 Trong quá trình điều chế người ta có thể tạo ra xung 2 cực hay 1 cực Xung 2 cực được tính bằng cách so sánh điện áp răng cưa với điện áp chủ đạo Máy phát sin Bộ điều chế Nghịch Lưu

trên tải ( điện áp của nghịch lưu) sẽ là xung 2 cực tính có độ rộng thay đổi theo quy luật sin:

∆ t=Ksin Ωt

Trong đó: Δt: độ rộng xung

K: là hệ số

Ω: Tần số của nghịch lưu

Biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xung lưỡng cực có biểu thức tổng quát:

U nm= 2π∫

0

π

E(α)sin nθ dθ

Khi n=1 ta có : U nm = 4 E

3 π [ ∫

0

a1

sinθ dθ−∫

0

a2

sinθdθ+∫

a2

π/ 2

sinθdθ]

=4 E π (1−2cosα 1+2cosα 2)