Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn UPS công suất nhỏ luận văn tốt nghiệp đại học

Đặcbiệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm,giảm thiểu chi ph

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHỆ AN, 01  2012

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 2

1.1 Tìm hiểu bộ nguồn UPS 2

1.2 Khối Inverter 3

1.2.1 Khái niệm Inverter 4

1.2.2 Cấu tạo của bộ Inverter 4

1.3 Bài toán thiết kế 10

1.3.1 Số liệu hoạt động 10

1.3.2 Yêu cầu đối với bộ Inverter 10

Chương 2 THIẾT KẾ MẠCH LỰC 11

2.1 Sơ đồ mạch lực 11

2.2 Tính chọn máy biến áp 11

2.2.1 Cấu tạo và đặc điểm của máy Biến áp 11

2.2.3 Vai trò của máy Biến áp 13

2.2.4 Tính toán và thiết kế máy Biến áp 13

2.3 Tính toán mạch van 18

2.3.1 Cấu tạo của mạch van 18

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Full-bridge 18

2.3.3 Tính toán chọn van 18

2.3.4 Tính chọn mạch đệm cho van 22

2.4 Thiết kế mạch lọc đầu ra 24

2.4.1 Tìm hiểu về lọc tần số đầu ra nghịch lưu 24

2.4.2 Lựa chọn phương án lọc 26

Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 30

3.1 Tìm hiểu các phương pháp điều chế SPWM 30

3.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực 31

3.1.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực 32

3.2.2 Yêu cầu nhiệm vụ của mạch điều khiển 33

3.3 Tổng quát về vi điều khiển PIC16F877A 35

3.3.1 Tìm hiểu vi điều khiển PIC16F877A 35

3.3.2 Nhiệm vụ của vi điều khiển PIC16F877A 43

3.4 Driver cho Mosfet 47

3.4.1 Tìm hiểu IC IR2103 và mạch Bootstrap 47

3.3.2 Nguyên lý làm việc của mạch trôi áp Bootstrap 51

3.5 Thiết kế mạch điều khiển ổn áp 51

3.5.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển 51

3.5.2 Đặc điểm yêu cầu nhiệm vụ của mạch điều khiển ổn áp 52

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 54

4.1.Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng hoạt động của mạch 54

4.2 Kết quả thực nghiệm 55

4.2.1 Sơ đồ mạch thực 56

4.2.2 Đo thực nghiệm 57

KẾT LUẬN 61

PHỤ LỤC 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Hình 1.1.Sử dụng nguồn UPS cho tải số

Hình 1.2 Một số sơ đồ UPS

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ Inverter

Hình 1.4 Sơ đồ nghịch lưu hình tia

Hình 1.5 Sơ đồ bộ nghịch lưu hình cầu

Hình 2.9 Lọc hai mắt cộng hưởng nối tiếp[1

Hình 2.10 Lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]

Hình 2.11 Lọc LC[1]

Hình 2.12 Lọc LC.[1]

Hình 3.1 Phương pháp điều chế SPWM

Hình 3.3 Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực.

Hình 3.4 Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển các van

Hình 3.7 Đồ thị điện áp hình sin tần số 50Hz

Hình 3.8 Sơ đồ chân PIC16F877A

Hình 3.9 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A

Hình 3.10 Sơ đồ khối Timer2

Hình 3.11 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

Hình 3.12 Thanh ghi T2CON

Hình 3.13 Sơ đồ khối modul PWM

Hình 3.19 Sơ đồ chân của IC IR2103

Hình 3.20 Sơ đồ các khối chức năng của IC IR2103

Hình 3.21 Quan hệ logic giữa các chân vào ra

Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý mạch trôi áp BOOTSTRAP

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch phản hồi

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng bộ Inverter

Hình 4.2 Dạng xung điều khiển mosfet

Hình 4.3 Dạng sóng đầu ra

Hình 4.4 Mạch thực nghiệm trên board hàn

Hình 4.5 Đo hiệu điện thế hiệu dụng

Hình 4.6 Thử nghiệm với tải là bóng đèn.

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nhà nước ta đang đẩy mạnh phát triển điện lực Các nhà máy thủy điện,nhiệt điện được xây dựng nhiều song vẫn chưa đáp ứng được như cầu sử dụng của nhândân Đây chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng mất điện luân phiên ở nhiều địaphương Làm ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế cũng như trong sinh hoạt Để khắcphục vấn đề này cần có một thiết bị chuyển đổi điện năng tích trữ thành năng lương điệnlưới Từ yêu cầu thực tế này,em tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo khối Invertercho bộ nguồn UPS

Đồ án gồm 4 chương và phần phụ lục xoay quanh các vấn đề lý thuyết về việc chếtạo khối Inverter theo phương pháp điều chế SPWM Qua đó tiến hành thiết kế nguyên lýmạch để mô phỏng và thi công mạch thật Mặc dù em đã cố gắng, song đồ án này khôngtránh khỏi những thiếu sót.Em mong được sự quan tâm, chỉ bảo của các thầy cô giáotrong bộ môn

Để hoàn thành đồ án này trước hết em xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Sỹ Phương

đã nhiệt tình hướng dẫn chỉ bảo em trong mọi hoàn cảnh Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày… tháng … năm 2011

Sinh viên thực hiện

Dương Đình Hùng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 Tìm hiểu bộ nguồn UPS

Vào cuối thế kỷ 20, độ tin cậy cung cấp điện của các nước công nghiệp pháttriển vào khoảng 99.9%, tương ứng khoảng thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ

mà phổ biến dưới dạng mất điện trong một vài phút Điều này không thành vấn đềđối với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ, tức với kỹ thuật tương tự(analog), chất lượng điện chỉ bao gồm hai chỉ tiêu quan trọng nhất là điện áp và tầnsố.Nhưng đối với hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy Đặcbiệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ

kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm,giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội.Độ tin cậy cungcấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉtrong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trìnhtrao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại.Nguồn điện dự

( uninterruptible power

supply ) là nguồn dự

phòng trong khoảng thời

gian sau khi nguồn chính

bị sự cố Nó là thiết bị

cung cấp điện năng có

khả năng duy trì điện thế

Cấu trúc chung của một bộ nguồn dự phòng là một khối Inverter biến đổi dòngđiện một chiều thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho tải tiêu thụ Nguồn điệnmột chiều lấy từ acquy , tùy theo điều kiện mà acquy có thể nạp trực tiếp từ nguồnsau đó đấu nối trực tiếp vào mạng để sứ dụng, hoặc nạp acquy từ một nguồn kháctrong mạng Tùy vào các cách đấu nối acquy với mạng điên mà ta có các công nghệups khác nhau Hình 1.2 giới thiệu một số sơ đồ UPS đã được ứng dụng rộng rãi.

1.2.1 Khái niệm Inverter

Inverter là thiết bị chuyển đổi trực tiếp nguồn điện áp hoặc dòng điện một chiềuthành nguồn điện áp hay nguồn dòng điện xoay chiều

1.2.2 Cấu tạo của bộ Inverter

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ Inverter

Quan sát sơ đồ khối trên ta thấy bộ Inverter gồm có bốn bộ phận chính đó là bộnghịch lưu, mạch điều khiển, mạch lọc đầu ra, mạch phản hồi

- Phân loại theo tính chất nguồn:

+ Nghịch lưu nguồn dòng: Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu nguồndòng có tính nguồn dòng điện

+ Nghịch lưu nguồn áp: Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu nguồn áp

có tính nguồn điện áp

- Phân loại theo sơ đồ:

+ Nghịch lưu theo sơ đồ hình tia: Hai van Q1 và Q2 (hình 1.3)được điều khiển

để tạo điện áp xoay chiều trên tải

Hình 1.4 Sơ đồ nghịch lưu hình tia

+ Nghịch lưu theo sơ đồ hình cầu: Hình 1.5 là sơ đồ nghịch lưu hình cầu(fullbridge) Trong nửa chu kì đầu, cặp van (Q1,Q2) dẫn, dòng điện qua tải theo chiều từ ađến b Trong nửa chu kì sau, cặp van (Q3,Q4) dẫn, dòng điện chạy theo chiều từ b đến

a Từ đó, tạo điện áp xoay chiều trên tải

Loại van được sử dụng trong mạch Full Bridge tùy thuộc vào ứng dụng, nếu

là nghịch lưu độc lập điện áp thì sử dụng các van điều khiển hoàn toàn như BJT,MOSFET, IGBT, GTO Nếu là nghịch lưu độc lập dòng điện hoặc nghịch lưu độc lậpcộng hưởng thì thường dùng Thyristor Nếu ứng dụng cần làm việc với tần số cao thìnên dùng MOSFET

Hình 1.5 Sơ đồ bộ nghịch lưu hình cầu.

b Khối điều khiển

Mạch điều khiển phát xung điều khiển tác động trực tiếp vào bộ nghịch lưu,đóng ngắt các van bán dẫn để thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiềusang nguồn điện xoay chiều Có nhiều phương pháp điều khiều đóng ngắt van đểchuyển đổi từ nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều đơn giản nhất là phương pháptạo xung vuông ở đầu ra ở nghịch lưu, nhưng phương pháp này ngày càng được hạnchế sử dụng Nguyên nhân là do điện áp ra là xung vuông và còn tồn tại nhiều sóng hàibậc cao làm ảnh hưởng tuổi thọ và an toàn cho thiết bị sử dụng Để khắc phục đượcnhững nhược điểm đó chúng ta phải làm cho điện áp đầu ra phải là sóng sin, do đó cầnphải có phương pháp điều khiển hiệu quả, thực tế người ta sử dụng hai phương phápsau:

- Phương pháp thứ nhất là dùng bộ lọc tần số thụ động đây chính là khối lọc đầura

- Phương pháp thứ hai là cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc lệchpha nhau hoặc tần số khác nhau

- Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn

- Phương pháp điều chế SPWM: Các bộ nghịch lưu đề cập trong phần trên lànhững bộ nghịch lưu mà dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đầu vào bộ nghịch lưu

là những xung vuông hoàn toàn hoăc xung có nhảy cấp mà ta còn có thể gọi là chung

là những bộ nghịch lưu nhảy cấp Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi

và hạn chế nhất định trong điều khiển và dạng sóng đầu ra Thuận lợi chủ yếu là vấn

đề điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cấu của mạch điềukhiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định trong mộtchu kì Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ở trên thì trongmột nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lần duynhất Có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số của sóng cơbản bộ nghịch lưu 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 chuyểnmạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độ chuyển mạch càng chậm Bên cạnh

ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp trên bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểmlớn nhất là khả năng sin hoá dòng điện hoặc điện áp không cao Do đóng cắt cung cấpcho tải những xung vuông nên khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao khôngmong muốn Sóng hài xuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnhtrong điều khiển giảm Khi tần số đầu ra yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất hiện càngnhiều và khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả năng kiểm soáttốc độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng

Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểm củahai bộ nghịch trên Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM

- Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao đượcloại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọitần số trong dải tần số định mức Bằng phương pháp SPWM ta có thể điều khiển đượcđộng cơ thích nghi theo một đường đặc tính cho trước Nhược điểm lớn nhất của bộnghịch lưu SPWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn

Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và sóngđiều biến Hình 1.6 là phương pháp điều chế PWM

+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàngchục thậm chí hàng trăm kHz

Hình 1.6 Phương pháp điều chế PWM+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bảnđầu ra của bộ nghịch lưu Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra củamạch nghịch lưu

Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưu SPWM là yêu cầu van bán dẫn có khảnăng đóng cắt ở tần số lớn, dẫn đến gây nhiễu cho các thiết bị khác

d Mạch lọc đầu ra nghịch lưu

Để tần số điện áp đầu ra là 50(Hz) như tiêu chuẩn của lưới điện, đồng thời loại

bỏ hết các sóng hài bậc cao có hại cho thiết bị sử dụng thì nhất thiết phải cần đến bộlọc tần số cho đầu ra nghịch lưu Với tải điện trở công suất dòng lớn thì bộ lọc thụđộng là phương án thích hợp nhất, bộ lọc thụ động được thực hiện bằng các phần tửthụ động L và C điều này dẫn đến tổn thất công suất, không thể tránh khỏi làm giảmhiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước của mạch Hơn thế nữa hiệu

quả của bộ lọc thụ động cho kết quả không cao Dưới đây là một số kiểu mạch thụđộng:

Trên đây là sơ lược về khối chuyển đổi năng lượng điện áp một chiều sang nănglượng điện áp xoay chiều (Inverter) trong bộ nguồn UPS Điện áp đầu ra sau khốiInverter là tiêu chí quan trọng để đánh giá một bộ nguồn UPS Trong khuôn khổ đồ ánnày, em đi sâu vào nghiên cứu thiết kế bộ Inverter cho nguồn UPS sử dụng phươngpháp điều chế SPWM.

1.3 Bài toán thiết kế

1.3.1 Số liệu hoạt động

Thiết kế bộ Inverter một pha với các số liệu như sau:

- Công suất đầu ra 30(VA)

- Điện áp của nguồn một chiều là 12(V)

- Điện áp ra xoay chiều hình sin 110(V) dao động trong dải ± 5% điện áp định mức

- Tần số nguồn điện đầu ra là 50(Hz)

1.3.2 Yêu cầu đối với bộ Inverter

- Làm việc ổn định

- Có hệ thống giao diện báo hiệu và bảo vệ khi xảy ra sự cố

- Triệt tiêu hết các sóng hài bậc cao chỉ cho ra tần số cơ bản

- Kích thước gọn nhẹ linh động, dễ dàng vận hành cho người sử dụng và đơn giảntrong sửa chữa tu bổ

- Tuổi thọ lớn, trong quá trình làm việc không rung ồn, không gây nhiễu cho các thiết

bị xung quanh

- Chi phí vật tư vật lực thấp nhất có thể để đủ khả năng cạnh tranh với các sản phẩmcùng chức năng trên thị trường

2.2.1 Cấu tạo và đặc điểm của máy Biến áp

Máy Biến áp được cấu tạo từ hai bộ phận chính.

Lõi biến áp là mạch từ khép kín từ thông chạy trong mạch.

b Dây quấn biến áp

Là dây dẫn điện (dây đồng, dây nhôm) được sơn cách điện rất tốt, có khả năngchịu nhiệt, chịu tác động của các lực cơ học và lực điện từ tốt được quấn thành từng cuộndây rồi lồng vào trụ thép

Trên cùng một trụ cuộn dây có điện áp cao nằm trong còn cuộn có điện áp thấp thìnằm ngoài để giảm độ dày của ống cách điện

2.2.3 Vai trò của máy Biến áp

- Biến áp là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch

- Tăng áp ở phía thứ cấp

- Làm suy yếu cấc sóng hài bậc cao sinh ra sau mạch cầu Full-Bridge đồng thời đưa rathứ cấp sóng cơ bản và một số sóng hài bậc thấp Khi đó lõi thép sẽ nóng do sóng hài bậccao bị hấp thụ ở phía sơ cấp

2.2.4 Tính toán và thiết kế máy Biến áp

- Số liệu bài ra như sau:

+ Hiệu điện thế hiệu dụng đặt vào sơ cấp biến áp là: U1 = 12(V)

+ Hiệu điện thế hiệu dụng ở đầu ra thứ cấp là: U2 = 110(V)

+ Tần số làm việc của dòng điện là 50(Hz), hình sine

+ Công suất đầu ra của bộ Inverter là S2 = 30(VA)

+ Giả sử hiệu suất chuyển đổi của biến áp là 86%

- Các bước để thiết kế một máy biến áp

a Tính công suất máy biến áp

- Chọn hiệu suất của máy biến áp là 86% thì công suất bộ nghịch lưu cấp cho sơ cấp máy

- Dòng điện trong cuộn thứ cấp của máy biến áp là:

I2 = = = 0.27(A) (2.3)

b Chọn mạch từ và tính toán tiết diện lõi thép

- Chọn mạch từ

+ Khi chọn mạch từ của biến áp cần lưu ý đến trụ và cửa sổ Trụ của mạch từ phải có tiếtdiện phù hợp với công suất của máy Cửa sổ cần có kích thước phù hợp để có thể đặt vừacuộn dây.

+ Những máy biến áp công suất nhỏ thường dung mạch từ kiểu vỏ Đối với loại mạch từnày tiết diện trụ không quấn dây bằng một nữa tiết diện trụ quấn dây

- Tính tiết diện lõi thép

+ Tiết diện hữu ích của lõi thép cần chọn là:

Si = 1.2 s1 = 1.2  35= 7.1(cm2) (2.4)+ Do các lá thép có sơn cách điện và độ cong vênh nhất định nên tiết diện thực của lõithép bao giờ cũng lớn hơn diện tích có ích

+ Tiết diện của lõi biến áp mà ta đo được là: St =

kg

si

=+ Trong đó:

 a, b là kích thước bề rộng và bề dài của lõi

 kg là hệ số ghép phụ thuộc vào chất lượng của lá thép thương kg = (0.8 ÷ 0.9), kgđược chọn theo kinh nghiệm như sau:

 kg = 0.9 đối với lá thép chữ E có bề dày là 0.35mm

 kg = 0.93 đối với là thép chữ E có bề dày là 0.5mm

 kg = (0.8 ÷ 0.85) đối với lá thép chữ E bị han rỉ và lồi lõm

+ Lá thép được chọn là lá thép hình chữ E có độ dày 0.35mm (H: là chiều cao toàn bộ lõithép: H = h + a)

+ Vậy tiết diện đo được của của lõi thép là: St = = 8(cm2)

c Tính số vòng dây

- Số vòng dây cho 1 Volt được tính như sau:

n = (2.5)

d Tính toán tiết diện và đường kính dây quấn

- Tiết diện dây quấn

+ Tiết diện dây quấn của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tỉ lệ thuận với cường độ dòngđiện chạy trong nó Mật độ dòng điện cho phép là số ampe trên một mm2 dây dẫn để khivận hành liên tục vẫn không quá nóng Mật độ dòng điện J được chọn sao cho phù hợpvới điều kiện làm việc và nhiệt độ làm việc của dây dẫn trong khoảng cho phép Mật độJ(A/mm2) dòng điện cho phép thay đổi theo công suất và được xác định bằng thựcnghiệm

+ Cách chọn mật độ dòng điện J theo công suất.

* Với J = 4(A/mm2) cho công suất từ (0 ÷ 50) (VA)

* Với J = 3.5(A/mm2) cho công suất từ (50 ÷ 100) (VA)

* Với J = 3(A/mm2) cho công suất từ (100 ÷ 200) (VA)

* Với J = 2.5(A/mm2) cho công suất từ (200 ÷ 250) (VA)

* Với J = 2(A/mm2) cho công suất từ (500 ÷ 1000) (VA)

+ Như vậy mât độ dòng điện trong dây quấn cần phải chọn là J = 4 (A/mm2), từ đó ta tính được tiết diện dây điện từ cho mỗi cuộn như sau:

* Tiết diện của dây quấn sơ cấp

- Đường kính dây quấn

+ Với dây quấn có tiết diện tròn ta tính được:

* Đường kính của dây quấn sơ cấp

4 

= 0.2(mm)(2.12)

e Diện tích cửa sổ cần dùng

Scs = = (2.13)

- Trong đó:

+ SSC, STC là diện tích dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

+ Kt là hệ số lấp đầy đặc trưng cho phần cách điện và khoảng hở khi quấn được chọntheo bảng sau:

Cmm

Hmm

Bmm

Qt

cm2

Ltbcm

s(VA)50Hz

S(VA)40Hz

- Xem xét bảng số liệu ta thấy biến áp được chọn thõa mãn yêu cầu của bài toán

Hình 2.4 Các kích thước của lõi thép

2.3 Tính toán mạch van

2.3.1 Cấu tạo của mạch van

Mạch gồm có bốn van bán dẫn được đấu nối theo cầu H hay còn gọi là mạch Fullbridge Mỗi van được mắc với một mạch đệm RC để bảo vệ van trong quá trình làm việc

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch Full-bridge

Tùy vào yêu cầu công nghệ mà ta có các cách điều khiển mạch full-bridge khácnhau Một số đặc điểm của mạch full-bridge:

- Khi mở đồng thời hai van cùng một phía sẽ gây ngắn mạch, nguy hiểm cho

hệ thống

- Muốn có dòng qua tải thì một trong hai cặp van(Q1,Q2) hoặc (Q3,Q4) phảiđồng thời cùng mở

2.3.3 Tính toán chọn van

a Các yêu cầu đối với van đóng ngắt

- Có khả năng đóng cắt với tần số cao

- Có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn

- Tổn thất trên van khi mở nhỏ nhất

- Tuổi thọ làm việc lâu dài và ổn định

- MOSFET

Hình 2.6 Ký hiệu Mosfet+ Công suất tổn hao khi làm việc của MOSFET là

PLOSS = Irms2 RDS-on (W)

Trong đó:

* Irms(A) là dòng điện chạy qua MOSFET khi làm việc

* RDS( ) là điện trở giữa cực Drain và cực Source khi dẫn

- IGBT

+ Công suất tổ hao khi làm việc của IGBT là

PLOSS = Iave VCE-SAT (W)

Trong đó:

* VCE-SAT là điện áp bão hòa giữa hai cực Collector và cực Emittor

* Iave là dòng điện trung bình chạy từ cực Collector đến cực Emittor

b Các thông số làm việc của van

- Giả sử hiệu suất của máy biến áp là 86% như vậy công suất của bộ nghịch lưu đưa vào

sơ cấp của biến áp là:

- Điện áp thuận lớn nhất đặt lên van là

Uthuận max van = + E = 12(V)

Từ kết quả tính toán trên ta thấy rằng sử dụng van Mosfet IRF3205 là sự lựa chọnphù hợp cho ứng dụng đồng thời có thể phát triển ứng dụng cho tương lai Dưới đây làmột số thông tin về Mosfet IRF3205

Hình 2.7 Hình ảnh IRF3205Bảng 2.3 Thông số hoạt động của IRF3205

Bảng 2.4 Các thông số hoạt động tối đa của IRF3205

TJ,TSTG Sự hoạt động liên tục và dãi nhiêt độ dự trữ -55 ÷ 175 oC

2.3.4 Tính chọn mạch đệm cho van

a Đặc điểm vai trò của mạch đệm

Mạch đệm còn gọi là mạch hỗ trợ, là các phần tử đấu song song, nối tiếp với vannhằm hỗ trợ cho van chủ yếu trong các giai đoạn khóa mỡ của nó Vì vậy nhiệm vụ chínhcủa mạch này là:

- Bảo đảm van luôn trong vùng làm việc an toàn.

- Hạn chế các tốc độ tăng áp và dòng làm việc

d

dt

i

- Hạn chế các xung áp và xung dòng

- Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng mở van

- Chuyển sự phát nhiệt trên van sang các phần tử hỗ trợ

- Giảm sóng nhiễu phát sinh khi van làm việc

Hiện nay có hai mạch đệm hay được dung là mạch RC (điện trở mắc nối tiếp với

tụ điện), và mạch RCD (điện trở-tụ điện-điôt) Các mạch này được mắc song song vớivan

Nhiệm vụ quan trọng nhất của mạch đệm là đảm bảo an toàn cho van không bịhỏng trong khi làm việc ở bất kì chế độ nào, khi công suất của hệ càng lớn thì việc tínhtoán mạch đệm càng phải cẩn thận vì công suất tổn hao lớ nhất ở trên van và mạch đệm

Hình 2.8 Mạch đệm

Điện trở RS được chọn từ điều kiện I0 = (A)tức là RS = (Ω),với I0 là dòng điệnlàm việc của van và sẽ chuyển sang chạy qua mạch đệm nên điện áp đặt lên van vẫn đượcgiữ ở trị số là E0 Công suất điện trở RS được chọn theo điều kiện tiêu tán năng lượng tíchlũy trên tụ CS

WC = CS E0 (W)

Với tần số cắt là fS thì công suất tiêu tán trên RS là:

PR= CS E02 fS(W)

Tụ điện CS được chọn sao cho làm tắt dần dao động phát sinh khi chuyển mạch

Vì vậy tụ CS 2CP (F), với CP tụ điện kí sinh trên van

c Mạch đệm kiểu RCD

Mạch gồm ba phần tử điện trở-tụ điện-điôt mắc song song với van, mạch đệmRCD cho chất lượng tốt và ưu việt hơn mạch RC vì:

- Cho phép giảm xung điện áp đỉnh

- Giảm tổn thất chuyển mạch trên van và trên mạch đệm

- Đảm bảo van làm việc trong vùng an toàn chắc hơn

Trong mạch đệm này điện trở RS chỉ tham gia khi tụ CS phóng điện qua van màkhông ảnh hưởng tới quá trình giảm xung áp đỉnh,vì vậy trị số RS sẽ chọn dễ dàng hơn.Song khi nạp tụ CS sẽ nạp qua điôt mà không qua điện trở RS vì vậy trị số EO lớn hơntrong trường hợp RC Bản chất của vấn đề là khi van bắt đầu khóa thì điện áp trên vantăng chậm trong khi dòng điện bắt đầu giảm đi do đã chuyển sang mạch điôt và tụ Nhưvậy van sẽ chuyển mạch an toàn và tổn hao đóng cắt giảm đi đáng kể Tùy theo giá trị CS

mà điện áp có thể tăng tới giá trị EO trước hay sau thời điểm dòng về không Nếu dòng vềkhông đúng lúc áp tăng đến E0 thì CS = , với tS là thời gian khóa van CS càng lớn thì tổnhao trên mạch đệm càng lớn nhưng tổn thất đóng cắt lại giảm do đó thường chọn

- Giá trị RS :

RS = =

61 2

12 = 4.6(Ω)

Chọn Rs = 4.7(Ω)

- Giá trị CS:

CS 2CP = 2 217 = 434(pF)Chọn Cs = 470(pF)

2.4 Thiết kế mạch lọc đầu ra

2.4.1 Tìm hiểu về lọc tần số đầu ra nghịch lưu

a Các yêu cầu chung cho bộ lọc

Yêu cầu chung khi tính toán các bộ lọc nhằm thỏa mãn các tính chất sau:

- Hệ số méo THD nhỏ, tùy theo tải mà hệ số méo có thể yêu cầu khác nhau, thường THDphải dưới 20%

- Hệ số sóng hài thấp dưới 5% thì điện áp ra được coi là tốt(HFLOH )

- Tổn thất công suất của bộ lọc thấp nhất

b.Hướng ứng dụng

Tải công suất thì không thể sử dụng các phương pháp lọc tần số dung khuếch đạithuật toán OA Với dòng tải lớn điện áp cao bộ lọc phải được thực hiện bằng các phần tửthụ động L và C, điều này dẫn đến tổn thất công suất không thể tránh khỏi làm giảm hiệusuất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước thiết bị Hơn nữa hiệu quả lọc của

+ Với các thành phần bậc cao mong muốn thì Znt >> Ztai để điện áp và các tần số bậccao rơi chủ yếu trên lọc.

- Phần tử mắc song song với tải hình thành một bộ chia dòng theo tỉ lệ tương quan tổngtrở giữa chúng, tổng trở nào lớn thì dòng chảy qua nó cũng lớn, vì vậy cần:

+ Với tần số sóng hài cơ bản mong muốn thì Zss >> Ztải, và tốt nhất là Zss = ∞(cộnghưởng tần số cơ bản), lúc đó toàn bộ dòng sóng hài cơ bản được đưa ra tải

+ Với tần số sóng hài bậc cao thì Zss << Ztải, và lúc đó toàn bộ dòng sóng hài bậc caođược rẽ nhánh vào lọc

Về nguyên tắc lọc đơn giản nhưng mạch lọc hình thành phàn tử LC nên có thể gâydao động tần số này khó biết trước vì không cố định do có sự tham gia của các thànhphần LC có trong tải, dây dẫn, nguồn Có ba mạch lọc thụ đông thường dung sau đây:

- Bộ lọc hai mắt cộng hưởng nối tiếp cả hai bộ đều tham gia cộng hưởng ở tần số sónghài

cơ bản L1C1 công hưởng nối tiếp, L2C2 công hưởng song song Nhược điểm là công suấtđặt lớn

Hình 2.9 Lọc hai mắt cộng hưởng nối tiếp[1]

- Mắt lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp chỉ có mắt lọc nối tiếp L1C1 được tính toán đểcộng hưởng tần số cơ bản còn tụ C2 dùng để rẽ nhánh dòng sóng hài cao tần

Hình 2.10 Lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]

Hình 2.11 Lọc LC[1]

2.4.2 Lựa chọn phương án lọc

Dùng phương pháp SPWM cho phép loại bỏ được nhiều các sóng hài bậc thấp vìsóng hài bậc thấp có bậc sát với tần số sóng mang , do đó càng tăng tần số sóng mang thìđiện áp ra càng gần sin hơn Nếu tải có điện cảm thì dòng tải đã rất gần hình sin mặc dùkhông có bộ lọc, tuy nhiên biên độ của sóng hài có tần số bằng chính sóng mang lại khácao Vì vây bộ lọc phải đạt được hai mục tiêu chính là:

+ Lọc lấy sóng hài cơ bản, song giá trị các phần tử không cần lớn do phương pháp đã chophép giảm hệ số méo đi nhiều

+ Chặn sóng hài với tần số bằng sóng mang, đặc biệt với phụ tải như động cơ điện vì tần

số sóng này thường khá cao dễ gây ra các xung áp lớn làm hỏng thiết bị

- Vì vậy chúng ta chọn bộ lọc thụ động LC

Hình 2.12 Lọc LC.[1]

- Các công thức dưới đây được trích từ tài liệu số [1] trong phần tài liệu tham khảo

- Biểu thức của hệ số truyền đạt điện áp sóng hài khi có tải:

+ q là bậc sóng hài ta muốn loại bỏ.

+ 1 là tỉ số giữa công suất phản kháng của thành phần nối tiếp với tải và công suất tải

+2 là tỉ số giữa công suất phản kháng của thành phần song song với tải và công suấttải

+ m là hệ số phụ thuộc vào công suất của tải, m = ( 0 ÷ 1 ), khi không tải m = 0, khi tải làđịnh mức thì m = 1

- Phân tích cho thấy giá trị tối ưu là khi 2 = 1, tuy nhiên để giảm công suất đặt thườnglấy 2 = 0.5 hoặc 2 = 0.2

- Nhiệm vụ quan trọng của bộ lọc LC là phải chặn sóng hài có tần bằng một nữa tần sốsóng mang tức là tần số f = = 4000(Hz), vì sóng hài này chiếm phần lớn trong trong điện

áp ra

a Xác định C f

Theo tài liệu số[1]

- Công suất phản kháng của tụ Cf:

2 2

- Mặt khác cảm kháng càng bé càng tốt để toàn bộ sóng hài cơ bản được đưa ra tải mà

không tổn thất trên lọc, đồng thời sụt áp trên cuộn cảm không được quá lớn

- Ta chọn tính được giá trị của nhóm cộng hưởng nối tiếp

Theo tài liệu số[1]

- Công suất phản kháng của cuộn cảm:

+ S (m2) là tiết diện của lõi thép S = 5.02*10-4(m2)

+ h (m) là chiều dài của cuộn dây thứ cấp

- Thay số vào ta tính được điện cảm sinh ra bởi cuộn thứ cấp biến áp

LBA = = 0.6238(mH)

- Ta thấy: LBA > L, vì vậy bộ lọ c có thêm cuộn cảm là không cần thiết.

Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Tìm hiểu các phương pháp điều chế SPWM

Điều chế độ rộng xung là thực hiện việc tạo ra các chuỗi xung vuông liên tục

để đưa vào chân điều khiển của các van bán dẫn trong nghịch lưu (hình 1.1) Cácchuỗi xung này được điều khiển độ rộng và phối hợp sao cho nhận được điện áp ratải gần với hình sin nhất Chu kỳ đóng – mở của các van bán dẫn tương ứng với chu

kỳ của xung điều khiển Độ rộng của xung điều khiển được tạo ra sao cho có độrộng lớn nhất ở đỉnh của sóng hình sin và nhỏ nhất ở những điểm sóng sin bằngkhông Chú ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạngsóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp của van bán dẫn Dạng điềukhiển này được gọi là điều chế theo độ rộng xung

Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụngmột tín hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn cótần số f Ta sẽ thu được một tín hiệu có dạng xung vuông Nếu đem xung điềukhiển này để điều khiển quá trình đóng, cắt của các van công suất thì ở ngõ ra sẽthu được một dạng điện áp có dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần sốnguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cungcấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng tam giác

Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu Sau đây làhình vẽ miêu tả nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng sin-PWM một pha:

Hình 3.1 Phương pháp điều chế SPWM

Hình 3.2 Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

3.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực

Phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực là phương pháp điều chế trênnửa chu kỳ sóng since trích mẫu Tín hiệu SPWM được đưa lần lượt qua từngnhánh van của cầu H để tạo ra toàn chu kỳ sóng sin ở đầu ra nghịch lưu

Hình 3.3 Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực.

Ưu điểm của phương pháp này là điều chế đơn giản, dễ điều khiển