Thiết kế bộ biến tần một pha sử dụng phương pháp điều chế dộ rộng xung PWM https://goo.gl/xKLJ1i

Đồ án điện tử công suất:Đề tài: Tính toán thiết kế bộ biến tần cầu một pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Mô phỏng bằng matlab SimulinkP=3KW Khoa điện Đại học bách khoa Đà Nẵng

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng củacác linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trìnhbiến 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 lĩnhvực 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 côngnghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là những minhchứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xínghiệp 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 emđược 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 nhấtđịnh, em mong được sự góp ý của thầy, cô Cuối cùng em xin chân thành cảm

ơn Thầy cô trong khoa, đặc biệt TS Nguyễn Hoàng Mai đã giúp em hoàn

MỤC LỤC

PDC PAC

f=const Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưuphụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng lượng điệnxoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần sốkhông thể thay đồi của lưới điện Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phảiphụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển αđuợc 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 quyếtđịnh 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 P AC

f=0 f≠0 E

NLĐL điện áp

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

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 độngmột chiều E, điều này tương tự như van trong băm xung một chiều, vì vậythích 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 chophép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường đượcdùng

BIẾN TẦN

CHỈNH LƯU LỌC MỘT CHIỀU NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

CHỈNH LƯU ĐIỐT

LỌC MỘT CHIỀU (C ; LC)

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP

LỌC TẦN SỐ

1.1.2.1 Biến tần gián tiếp

P AC P DC P DC P AC

U 1 , f 1 ,m 1 U 2 ,f 2 ,m 2

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 biếnđổi năng lượng; chỉnh lưu biến năng lượng xoay chiều về một chiều, sau đó lànghịch lưu để biến đổi ngược lại Biến tần này còn được gọi là biến tần cỏ khâutrung gian một chiều theo sơ đồ cẩu trúc biến đổi năng lượng Việc sử dụngNLĐL làm bộ biến đổi tần số đầu ra cho phép biến tần loại này cỏ khả năngthay đổi tẩn số trong phạm vi rộng và độc lập, đây là ưu điểm chủ yếu đem đếnứng dụng rất rộng rãi cùa nó trong thực tế hiện nay Nhược điểm cơ bản củabiến tần gián tiếp là hiệu suất không thật cao do chính quá trình biến đổi nănglượng hai lần

Khối chỉnh lưu trong biến tần gián tiếp có thế là chỉnh lưu điều khiểnhay không điều khiến tuỳ thuộc vào loại nghịch lưu độc lập được dùng vàcông 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 thườngdùng chỉnh lưu điốt với khâu lọc một chiều kiểu C hoặc lọc LC và cỏ cấu trúcnhư 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

P AC P DC P DC P DC P AC

• Với cấu trúc này, mạch điều khiển chỉ tác động duy nhất vào khối nghịch

lưu độc lập điện áp để đảm bảo cả yêu cầu về tần số và điện áp ra tải, do

đó mạch điều khiển khá phức tạp Với tải công suất trung bình và lớn phảidùng chinh lưu cầu nhiều pha: m2=6,12 để vừa giảm hệ số đập mạch vàkhông cần tụ lọc lớn, vừa cải thiện đáng kể hệ số méo của dòng điện tiêuthụ từ lưới xoay chiều

• Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh và ổn định điện áp ra cóthể thông qua điều khiển diện áp một chiều bằng cách đưa thêm vào bộ băm xung một chiều sau chỉnh lưu điôt và lọc Đôi khi băm xung một chiều còn dùng đế tăng điện áp (băm xung kiểu song song) cho trường hợp nguồn xoay chiều thấp hơn giá trị cần có

b Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập dòng điện:

đòi hỏi nguồn dòng một chiều, trong khi đó sau chỉnh lưu chỉ cho phép nhận được điện áp chứ không phải dòng, vì vậy để chuyển đổi thành

nguồn dòng buộc phải thực hiện đồng thời hai biện pháp:

• Sử dụng lọc điện cảm với giá trị lớn để làm độ đập mạch dòngđiện nhỏ, tương ứng dòng không đổi tức là có nguồn dòng Tuynhiên điện cảm lọc không cho phép ổn định và điểu chỉnh dòng

ra, do đó cần biện pháp thứ hai

• Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnhlưu theo các biến động tải và nguồn bằng hệ thống kín với phảnhồi dòng điện để đảm bảo vừa điểu chỉnh dòng theo yêu cầucông nghệ, vừa ổn định dòng chống các biến động này

PAC PAC PAC PAC

Như vậy biến tần dùng nghịch lưu dòng điện có cấu trúc như trênhình Trạng thái không tải với nguồn dòng là cấm (trạng thái sự cố)nên biến tần này chỉ được hoạt động khi đà nối tải

c Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập cộng hưởng:

TẢI CHỈNH LƯU

ĐIỀU KHIỂN

LỌC MỘT CHIỀU ( L )

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP DÒNG ĐIỆN U 2 , f 2 ,

m 2

U 1 , f 1 ,m 1

thường sử dụng chỉnh lưu điều khiển NLĐL cộng hưởng hay ứngdụng cho thiết bị gia nhiệt tần số nên thường chỉ sử dụng loại một pha.

1.1.2.2 Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau:

• Dùng hai bộ chỉnh lưu cùng loại, đầu ra đấu ngược cực tính

• Mỗi bộ chỉnh lưu đảm nhận một dấu của điện áp ra và cho hai bộ chạy lầnlượt sẽ tạo thành điện áp hai dấu (xoay chiều) ở đầu ra

Sử dụng nguyên tắc này sẽ đạt hiệu suất cao vì không cần biến đổi năng lượng hai lần, tuy nhiên loại này có một số nhược điểm như: tần số ra phụ thuộc tần sốnguồn; điều chỉnh tần số trơn khá khỏ khăn, số lượng van lớn, nếu muốn đạt chỉ tiêu chất lượng tốt như biến tần gián tiếp thì toàn hệ thống (cả lực và điều khiển)đều phức tạp

NLĐL và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấpđiện, các hệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều, truyền tải điện năng HVDC, luyện kim, các bộ biến đối cho các nguồn năng lượng mới

1.2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA

1.2.1 Nguyên lý hoạt động và các tham số cơ bản

NLĐL điện áp một pha có thể dùng sơ đồ cầu, bán cầu hay tia, Tuy nhiên dạng điện áp ra là như nhau nên ta chỉ xét sơ đồ cầu

NLĐL điện áp 1 pha sơ đồ cầu

Các van hoạt động theo cặp T1, T2 và T3,T4; hai cặp van dẫn khoảng thờigian như nhau và bằng một nửa chu kỳ của điện áp ra Điện áp ra có dạng xung chữ nhật với giá trị ±E Điện áp ra này thoả mãn các điều kiện của một điện áp xoay chiều tuần hoàn là:

• Điện áp ra có hai dấu dương và âm;

• Giá trị trung bình bằng không;

• Sau một nửa chu kỳ có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu: u(t) = - u(t + T/2);

• Sau một chu kỳ lặp lại trạng thái: u (t) = u(t + T)

có chu kỳ bằng chu kỳ điều khiển còn có các sóng hài bậc cao.

Biểu thức chung của sóng hài

Như vậy để có điện áp hình sin cần chọn ra, lọc ra tần số mong muốn do

đó đầu ra của NLĐL điện áp có bộ lọc tần số Để đánh giá dạng điện áp rakhác đi (méo) so với hình sin mong muốn cần sử dụng các tham số sau:

1 Hệ số sóng hài bậc k , là tỉ số giữa trị số hiệu dụng sóng hài bậc k với sóng hài cơ bản:

(1.2)

2 Hệ sô méo bậc k (Distortion Factor k-harmonic):

(1.3)

3 Hệ sổ méo (Distortion Factor):

4 Hệ số méo tổng (Total Harmonic Distortion-THD):

(1.5)Ảnh hưởng lớn nhất đến dạng sin của điện áp ra là sóng hải gần nhất với sóng

cơ bản, vì vậy trong phân tích thường chú ý chủ yếu đến sóng hài bậc thấp nhấtnày, gọi là LOH (Lowest - Order Harmonic) Các sóng hài cỏ biên độ nhỏ hơn3% biên độ sóng hài cơ bản (HFk < 0,03) được bỏ qua không xét đến ngay

cả với LOH, lúc đó coi điện áp ra là hinh sin hoàn chỉnh không méo

Việc phân tích tính toán qui luật dòng điện chính xác có thể thực hiện, song sẽ cho các biểu thức phức tạp, do đó thực tế thường đơn giản hoá, ở NLĐLđiện áp sử dụng phương pháp “sóng hài cơ bản” Trong phương pháp này coi rằng điện áp ra chỉ chửa một thành phần cơ bản bậc một (u1) và do đó nó là hình

π 2π

sin hoàn chỉnh, nhờ vậy có thề giải mạch theo cách Giải: mạch điện hình sin

quen thuộc Theo (1.1) có điện áp cơ bản với k =1:

Dưới tác động của điện áp này dòng tải cũng biến thiên hình sin với qui luật:

trong đó: ,

Dạng biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực và theo phương pháp sóng hài cơ bản

Dạng biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực và theo phương pháp sóng hài cơ bản trình bày trên hình, qua đó có thể thấy điểm dòng điện thực qua điểm khôngcũng gần với trường hợp khi coi dòng điện là hình sin Từ đây dễ dàng xác định được dòng trung bình qua các van, các transistor dẫn dòng như nhau và các điôt cũng vậy:

(1.6)(1.7)

(1.8)

Quá trình năng lượng cho thấy:

• Khi transistor dẫn nguồn E cấp năng lượng ra tải

• Khi điốt dẫn nguồn E nhận năng lượng từ điện cảm tải trả về

Do đó giá trị trung bình dòng một chiều từ nguồn có thể tính từ dòng trung bình qua các van IT, ID với lưu ý trong một chu kỳ có hai lần dẫn của nhóm van:

Vậy công suất tiêu thụ từ nguồn đưa ra tải:

Còn công suất tải theo sóng hài cơ bản:

Dùng phương pháp tuyến tính hóa dạng dòng điện, ta phải tính được điểmqua không của dòng và điểm imax theo biểu thức sau:

Giá trị cực đại của dòng tải:

Thời điểm dòng tải qua không:

Dòng trung bình qua các van:

Trong đó hằng số thời gian mạch tải

1.2.2 Tụ lọc đầu vào trong nghịch lưu điện áp.

Năng lượng một chiều được lấy từ lưới điện xoay chiều thông qua mạch chỉnh lưu Trong trường hợp này phải mắc ờ đầu ra chỉnh lưu một tụ điện C, có nhiệm vụ:

• Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E

• Nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải khi các điôt dẫn dòng, vì chỉnh lưu không cho dòng đảo chiều lại

Trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện áp một chiều

Khi điôt dẫn thì tụ nạp, do đó:

Trong đó

1 Khối biến áp lực: dùng máy biến áp 1 pha có tác dụng

chuyển điện áp của lưới điện xoay chiều sang điện áp thích hợp với tải, cách ly điện áp lưới.

2 Khối chỉnh lưu: Ta chọn khối chỉnh lưu cầu 1 pha dùng

Diode

3 Khối lọc đầu vào: Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E và

nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải khi các điôt dẫn dòng,

vì chỉnh lưu không cho dòng đảo chiều lại.

4 Khối nghịch lưu: sử dụng nghịch lưu độc lập điện áp một

pha, sơ đồ cầu.

5 Khối lọc đầu ra: có tác dụng lọc lấy sóng hài cơ bản, tăng

chất lượng điện áp đặt lên tải.

6 Tải

2.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA

2.2.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu điện áp một pha

Các bộ nghịch lưu đề cập trong chương 1 là những bộ nghịch lưu mà dạngsóng của dòng điện hoặc điện áp đưa vào bộ nghịch lưu là những xung vuônghoàn toàn hoăc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là những bộ nghịchlưu nhảy cấp Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi và hạn chếnhất định trong điều khiển và dạng sóng đầu ra Thuận lợi chủ yếu là vấn đềđiều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cầu của mạchđiều khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố địnhtrong một chu kì Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ởchương 1 thì trong một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉđóng cắt một lần duy nhất Có thể nói rằng tận số đóng cắt của van bán dẫn bằnghai lần tần số của sóng cơ bản bộ nghịch lưu Khả năng chuyển mạch của vanbán dẫn yêu cầu không cao, do vậy có thể dùng cho mạch công suất lớn vì cácvan bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất cànglớn thì tốc độ chuyển mạch càng chậm Bên cạnh ưu điểm trên thì bộ nghịch lưunhảy cấp trên bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm lớn nhất là khả năng sinhoá dòng điện hoặc điện áp không cao Do đóng cắt cung cấp cho tải những

xung vuông nên khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không mongmuốn 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 xuấthiện càng nhiều và khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khảnăng kiểm soát tốc độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng.

Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhượcđiểm của hai bộ nghịch trên Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độrộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thànhphần hài bậc cao được loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghitheo mọi cấp điện áp và mọi tần số trong dải tần số định mức Nhược điểm lớnnhất của bộ nghịch lưu PWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần

số lớn Tần số thông thường lớn hơn khoản 15 lần tần số định mức đầu ra của bộnghịch lưu

2.2.1.1 Điều chế PWM hình sin hai cực tính

Nguyên tắc của SWPM là trong một khoảng dẫn của van, van không dẫnliên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thờicủa hình sin có tần số bằng tần số sóng hài cơ bản

Hình 2.3: Điều chế SPWM hai cực tính

U ra

T 1, T 2

T 3 ,T 4

Hình 2.3 minh họa phương pháp điều chế hình sin hai cực tính sử dụng xungtam giác tần số cao (gọi là sóng mang – carrier) được so sánh với điện áp hìnhsin (gọi là sóng điều chế - modulation), điểm cắt nhau giữa 2 điện áp này làđiểm chuyển đổi trạng thái của 2 cặp van cho nhau Điện áp ra không chỉ cònhai xung chữ nhật với điện áp +E hay –E mà là một dãy xung có độ rộng biếnthiên theo qui luật của sóng điều chế hình sin Điện áp ra ở mỗi nửa chu kỳ luôntồn tại cả hai dấu ±E nên được gọi là điều chế hai cực tính.

2.2.1.2 Điều chế PWM hình sin một cực tính

Để điều chế 1 cực tính có nhiều cách mà một trong số đó thể hiện ở hình 2.3.Van của một cặp không đóng/ngắt đồng thời mà đổi nhau thời điểm chuyển đổitrạng thái giữa hai nhóm cũng khác nhau nhưng vẫn dựa theo nguyên tắcSPWM

• Ở nửa chu kỳ đầu có những giai đoạn T1 dẫn cùng T2 sẽ có điện áp rabằng +E.

• Ở nửa chu kỳ sau khi T3 dẫn cùng T4 sẽ có điện áp ra bằng –E

Trong cách này cần tạo hai hình sin ngược pha nhau và chỉ một xung tam giáccao tần hoặc có thể làm ngược lại: chỉ dùng một sóng điều chế hình sin và haixung tam giác ngược pha nhau

Một cách khác để nhận được điện áp môt cực tính là chỉ dùng một hình sin,nhưng xung tam giác được dịch chuyển để luôn cùng dấu với điện áp hình sin

2.2.1.3 Chọn phương án điều chế SWPM

Phương pháp điều chế SWPM hai cực tính:

• Ưu điểm: Có mạch điều khiển đơn giản do điều khiển 2 van đồng thời

• Nhược điểm: Phổ sóng hài lớn hơn điều chế một cực tính

Phương pháp điều chế SWPM một cực tính:

• Ưu điểm: Phổ sóng hài tốt hơn điều chế hai cực tính

• Nhược điểm: Mạch điều khiển phức tạp hơn do phải điều khiển các vanriêng biệt

Từ so sánh trên ta chọn phương án điều chế SWPM một cực tính

+ Transistor lưỡng cực BJT - Bipolar Junction Transistor

+ Transistor hiệu ứng trường MOSFET - Metal Oxide Semicoducter FieldEffect Transistor

+ IGBT là sự kết hợp của BJT và MOSFET

Để tiến hành lựa chọn được van bán dẫn thích hợp, ta tiến hành phân tích ưunhược điểm các van bán dẫn trên

Trong phần này ta không đi sâu vào cấu tạo của Transistor mà ta chỉ phântích những yếu tố chính của nó khi vân hành.

Có thể nói rằng BJT là một phần tử đóng cắt cổ điển nhất và được sử dụng đầutiên để cho mục đích đóng cắt sau nhiệm vụ khuyếch đại

- Dải công suất của BJT:

Ngày nay với kĩ thuật tiên tiến thì các BJT có thể có công suất khá lớn, các vanBJT có thể có điện áp chịu đựng hàng chục kilôvôn và có dòng cho phép cỡ vàinghìn Ampe Tần số chuyển mạch của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phépvào khoảng 10kHz Tần số này càng giảm khi công suất van tăng Độ tuyến tínhxung điện áp ra của BJT khá lớn, nguyên nhân chính do tụ kí sinh trên van nhỏnên cho phép van chuyển mạch nhanh

Nhược điểm chủ yếu của BJT là công suất mạch điều khiển Các BJT công suấtlớn thường có hệ số khuyếch đại nhỏ, cỡ trên dưới 10 lần Điều này đông nghĩavới công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta sửdụng khuyếch đại trực tiếp Công suất mạch điều khiển có thể giảm được nếu ta

sử dụng mạch Dalington cho tầng khuyếch đại cuối cùng, tuy vậy sẽ gây ra mộtvấn đề đó là trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn

- Tổn hao và làm mát BJT

Như đã phân tích, tổn hao trong BJT khá lớn do nó được điều khiển bằng

dòng-áp Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT thường có công suất nhỏ, cỡ vàitrăm oát Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể làm được xong không kinh tếtrong điều khiển và làm mát van

Những vấn đề cơ bản về MOSFET

- Dải công suất của MOSFET

Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến được những nhược điểm trong điềukhiển BJT Điểu khiển đóng mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đặt lên haicực, cực cổng (G - Gate) và cực nguồn (S - Source) Việc điều khiển bằng điện

áp đã làm giảm được kích thước và tổn hao trong mạch điều khiển và dẫn tớikhả năng tích hợp thành vi mạch

Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khálớn, có thể đến 100kHz Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên vannhỏ

Tuy vậy công suất của MOSFET không cao, khả năng làm việc ở điện áp caokhông bằng được BJT Các MOSFET công suất lớn thường có điện áp làm việcdưới 1kV và dòng điện cỡ vài chục Ampe.

- Tổn hao và làm mát MOSFET

MOSFET là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có thể

sử dụng ở chế độ đóng cắt Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trường nênquá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ Đi liền với đó là việc làm mát choMOSFET tương đối đơn giản, có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mà vẫn có thểđảm bảo điều kiện làm mát Do vậy khi dải công suất cỡ vài trăm oat thi ta nên

sử dụng MOSFET làm phần tử đóng cắt

Những vấn đề cơ bản về IGBT

Kết hợp những ưu điểm của BJT về mặt công suất và của MOSFET về mặt điềukhiển, IGBT ra đời Sự ra đời của IGBT đã giải quyết cho BJT về tổn hao trongđiều khiển, và tăng công suất đóng cắt

- Dải công suấtcủa IGBT

Dải công suất của IGBT có thể nói là lớn nhất trong các van sử dụng nguyên lýchuyển mạch bằng dòng xung điều khiển Do không bị hạn chế về điều khiểnnên có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao.Ngày nay IGBT có thể chế tạo điện điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA, trongkhi yêu cầu điện áp mạch điều khiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điềukhiển do điều khiển IGBT là bằng điện áp như MOSFET

Tần số chuyển mạch của IGBT cũng khá lớn, thông thường các IGBT công suất

có tần số làm việc khoảng 20kHz

- Tổn hao và làm mát cho IGBT

Trong quá trình vân hành IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơnMOSFET Do vây quá trình làm mát của IGBT phải đặc biệt được chú ý khi dảicông suất tăn cao

Qua phân tích ở trên và đặc điểm đóng cắt của mạch cần thiết kế ta chọn IGBT làm phần tử đóng cắt

2.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

2.3.1 Tính toán bộ nghịch lưu

2.3.1.1 Chon hệ số điều biến tần số

Tần số chuyển mạch van càng lớn độ méo hài càng giảm, tuy nhiên tần số này bị hạn chế bởi khả năng đóng/cắt của van lực, mặt khác tổn thất chuyển mạch và nhiễu cao tần trong công nghiệp cũng tăng nhanh theo Vì vậy thiết bị công suất có tần số điều chế thường dưới 10kHz.

Ta chọn = 40

Khi đó tần số chuyển mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là:Tần số chuyển mạch nhỏ nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu:

2.3.1.2 Chon hệ số điều biến biên độ

Hệ số điều biến biên độ là tỷ số giữa biên độ điện áp sóng điều chế và biên độ điện áp sóng mang:

Trong đó: : Biên độ sóng điều chế

: Biên độ sóng mang

Bình thường < 1; nếu > 1 gọi là quá điều chế làm giảm chất lượng điện áp ra

Hệ số điều biến biên độ là một đại lượng quan trọng, đại lượng này quyết định điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu

Do bộ nghịch lưu cần thiết kế yêu cầu điện áp ra ổn định 220V nên ta chọn

hệ số sao cho có thể dễ dàng thay đổi tỉ số giữa điện áp nguồn một chiều và điện áp ra, giúp ổn định điên áp ra đồng thời giá trị nguồn một chiều yêu cầu không chên lệch quá lớn điện áp ra

Ta chọn 0.85

2.3.1.3 Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT

Theo kết quả tính toán bằng Matlab với 0.85 có tỉ lệ U1/E 0.7353

Từ đó ta tính được điện áp nguồn một chiều cần cho bộ nghịch lưu:

lưu Chọn hệ số an toàn về điện áp cho van bán dẫn là 2 Do vậy ta có điện áp chịu đựng yêu cầu của van bán dẫn có giá trị bằng:

UV = 300.2 = 600V

2.3.1.4 Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT

Công suất của bộ nghịch lưu P=3kW

Dòng điện sóng cơ bản trong chế độ làm việc:

Chọn hệ số dự trữ dòng điện là: Ki = 3,2

Dòng điện yêu cầu chọn IGBT:

Vậy ta có chỉ tiêu chọn van bán dẫn :

2.3.1.5 Chọn IGBT

Với công nghệ sản suất bán dẫn ngày nay thì các van bán dẫn có thể được tích hợp trên một phần tử Do đó ta chọn 4 van được tích hợp sẵn trên 1 phần tử:

Chọn IGBT : F4-50R12KS4

• Nhiệt độ vân hành thông thường: TC = 700C

• Tẩn số đóng cắt tối đa: fmax = 20 kHz

• Điện áp thuận trên van VF = 2 V

2.3.1.6 Tản nhiệt cho IGBT

Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van IGBT có sụt áp, do đó có tổn thất công suất ∆P, tổn thất này sinh ra nhiệt đốt nóng IGBT Mặt khác IGBT chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt

độ cho phép thì IGBT sẽ bị phá hỏng Để IGBT làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý

1-Tổn thất công suất trên 1 IGBT:

P = U.Ilv = 2 13,6 = 27,2 (W)

2-Diện tích bề mặt toả nhiệt:

) ( 452 , 0 30 8

2 , 27 4

K

P S

n

Trong đó: τ : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường

Lấy Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của IGBT Tcp= 1500CChọn Tlv trên cánh tản nhiệt là 700C

Suy ra τ = Tlv – Tmt = 300C

Kn : hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Chọn Kn = 8 W/m2.0C

Chọn loại cánh tản nhiệt có 13 cánh, kích thước mỗi cánh

a.b=13.13 (cm x cm)

Tổng diện tích tản nhiệt của cánh:

S = 13 2 13 13 = 4400 (cm2) = 0,44 (m2)

2.3.2 Tính toán diode chỉnh lưu và bộ lọc nguồn

2.3.2.1 Bộ lọc đầu vào một chiều cho nghịch lưu

Vì dòng định mức của nguồn một chiều khá lớn, khoảng 10 A nên ta chọn bộ lọc LC cho nguồn 1 chiều

Bộ chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode nên ta có các thông số sau

- Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều: mđm = 2;

- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: 0,67;

- Hệ số đập mạch của điện áp đẩu ra, với bộ lọc chất lượng cao thì chỉ số đó

Điện áp ra của chỉnh lưu: Ucl = 300 V

Dòng điện trung bình đầu ra của chỉnh lưu: Icl = 3000/220 = 13,6A

Trị số hiệu dụng nguồn xoay chiều:

Chọn hệ số dự trữ điện áp cho Diode: ku = 1,8

Điện áp ngược để chọn diode UV = 1,8.522,81 = 941 V

Dòng trung bình qua Diode:

• Nhiệt độ cho phép làm việc: Tcp = 200

2.3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu

Bảo vệ quá điện áp do quá trình chuyển mạch đóng mở của các Diode được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Diode

Điện áp một chiều tổng quát tương ứng tải định mức: