THIẾT kế, THI CÔNG và THỬ NGHIỆM bộ BIẾN đổi một PHA SANG BA PHA DÙNG CHỈNH lưu DOUBLE BOOST PFC

Đến thập niên 90 c a thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ng d ng khá r ng rãi và thành công trong việc thay thế các khí c điện tử dùng để đóng ngắt cung c p nguồn cho những ph t i, làm các b

Trang tựa TRANG

Quyết định giao đề tài

1.1.2 M t số kết qu nghiên c u trong và ngoài n ớc 2

2.2.1 Sơ l c b biến đổi DC/DC 6

2.3.1 Phân tích m ch điều kiển boost PFC 1 nhánh 9

2.3.1.1 Điện áp ra 10

2.3.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra 12

2.3.3 Tác d ng c a b điều khiển PFC 15

2.4 Gi i thuật điều khiển 15

2.4.1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu hay còn gọi là dòng điện đặt (Hysteresis current control) 16

2.5 B nghịch l u áp (DC/AC) 17

2.5.1 Các ph ơng pháp điều chế 18

CH NGă3:ăTÍNH TOÁN, THI T K , MÔ PH NG B BI NăĐ I 1 PHA SANG 3 PHA DÙNG CH NHăL U DOUBLE BOOST PFC 23

3.1 Tính toán m ch boost PFC 23

3.2 Mô hình mô phỏng 24

3.2.1 Thiết lập thông số cho các khối 25

3.2.2 Các kết qu mô phỏng đ t đ c 29

3.2.3 Phân tích thành phần hài 32

3.2.4 Mô phỏng b boost PFC 34

CH NGă4: XỂYăD NGăMỌăHỊNHăTH CăNGHI MăB ăBI NăĐ Iă1ă PHAăSANGă3ăPHAăDỐNGăCH NHăL U DOUBLE BOOST PFC 39

4.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 39

4.2 Mô t chi tiết mô hình thực nghiệm 41

4.2.1 Sơ đồ tổng quan m ch công su t 41

4.2.2 M ch điều khiển 43

4.2.2.1 Sơ đồ triển khai m ch kích xung 43

4.2.2.2 Sơ đồ triển khai m ch c m biến điện áp 46

4.2.2.3 Sơ đồ triển khai m ch c m biến dòng điện 48

4.2.2.4 Sơ đồ triển khai m ch đệm b o vệ DSP 51

4.2.2.5 Kit DSP TMS320F28335 52

TRÌNH NHÚNG 57

5.1 Giới thiệu th viện lập trình nhúng c a Matlab/Simulink 57

5.2 Mô hình lập trình nhúng c a b biến đổi 1 pha sang 3 pha trên

Matlab/simulink 60

5.3 Kết qu thực nghiệm b boost PFC với các c p điện áp khác nhau 64

5.4 Kết qu thực nghiệm b biến đổi 1 pha AC sang 3 pha dùng chỉnh l u doule boost PFC 69

5.5 M t số hình nh thực nghiệm t i phòng thí nghiệm 75

CH NGă6:ăK T LU NăVĨăH NG PHÁT TRI NăĐ TÀI 77

6.1 Kết luận 77

6.2 H ớng phát triển đề tài 77

TÀI LI U THAM KH O 79

f0: Tần số cơ b n sóng điều khiển

Vref: Điện áp t i tham chiếu

Verr: sai số điện áp

V: đ dao đ ng điện áp ngõ ra

IS: Dòng điện ngõ vào

uđk: áp điều khiển

PFC: Power Factor Correction

AC: Alternating Current

DC: Direct Current

PWM: Pulse Width Modulation

SPWM: Sine Wave Pulse Width Modulation

THD: Total Harmonic Distortion

IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor

HÌNH TRANG Hình 2.1: Phân lo i tổng quan c a b chỉnh l u 6

Hình 2.2: Chỉnh l u cầu 1 pha không điều khiển 6

Hình 2.9: Dòng điện và điện áp vào b boost PFC 10

Hình 2.10: Sơ đồ thay thế khi van đóng 10

Hình 2.11: Sơ đồ t ơng đ ơng khi van cắt 11

Hình 2.12: D ng sóng dòng điện trên cu n dây chế đ dòng liên t c 13

Hình 2.13: M ch boost PFC với n – giai đo n 14

Hình 2.14: Đồ thị điều chế xung kích 16

Hình 2.15: Sơ đồ khối c a kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu 17

Hình 2.16: Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật điều chế theo dòng điện

Hình 2.17: D ng sóng đầu ra theo ph ơng pháp điều chế đ r ng xung 19

Hình 2.18: Nguyên lý điều chế SPWM m t pha 20

Hình 2.19: Nghịch l u áp ba pha 20

Hình 2.20: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha 21

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng c a b biến đổi 1 pha ra 3 pha 24

Hình 3.2: Khối nguồn AC 25

Hình 3.3: Cu n kháng ngõ vào 26

Hình 3.4: Khối công su t m ch Boost 26

Hình 3.7: Khối công su t m ch nghịch l u 28

Hình 3.8: Khối t i R,L 28

Hình 3.9: D ng sóng dòng điện Is và điện áp Vs ngõ vào 29

Hình 3.10: D ng sóng dòng điện Is và điện áp Vs ngõ vào (khi Vs*1/20) 29

Hình 3.11: D ng sóng dòng điện trên L1 30

Hình 3.12: D ng sóng điện áp ngõ ra Vo 30

Hình 3.13: D ng sóng điện áp dây nghịch l u 30

Hình 3.14: D ng sóng điện áp nghịch l u 31 Hình 3.15: D ng sóng dòng điện t i 31 Hình 3.16: Phân tích FFT c a dòng điện ngõ vào Is 32 Hình 3.17: Giao diện c a tiện ích Powergui 33 Hình 3.18: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài d ng biểu đồ (Bar) 33 Hình 3.19: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài d ng dữ liệu (List) 34 Hình 3.20: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và điện áp ngõ ra Vo 35 Hình 3.21: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và đ dao đ ng điện áp ngõ ra V 36 Hình 3.22: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và dòng điện ngõ vào Is 36 Hình 3.23: Đồ thị quan hệ điện áp vào Vs và đ méo d ng hài Is THD(%) 36 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 39

Hình 4.2: Sơ đồ gi i thuật m ch Boost PFC 39

Hình 4.3: Sơ đồ thực nghiệm tổng quan c a b biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh l u boost PFC 40 Hình 4.4: Sơ đồ triển khai m ch công su t 41

Hình 4.5: Thi công m ch công su t 41

Hình 4.6: Sơ đồ nối dây m ch IGBT 42

Hình 4.9: Sơ đồ tổng quan khối t o xung 43

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý m ch nguồn 44

Hình 4.11: Thi công m ch nguồn 45

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý m ch lái các IGBT 45

Hình 4.13: Thi công m ch lái các IGBT 46

Hình 4.14: Sơ đồ tổng quan m ch c m biến áp 46

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý m ch c m biến áp 47

Hình 4.16: Thi công m ch c m biến áp 48

Hình 4.17: Sơ đồ tổng quan m ch c m biến dòng 49

Hình 4.18: M ch c m biến dòng sử d ng ACS712 50

Hình 4.19: Nguyên lý ho t đ ng m ch c m biến ACS712 50

Hình 4.20: Sơ đồ m ch đệm b o vệ DSP 51

Hình 4.21: Thi công m ch đệm b o vệ DSP 51

Hình 4.22: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 52

Hình 4.23: Sơ đồ bố trí 176 chân c a F28335 55

Hình 4.24: Sơ đồ khối ch c năng c a DSP F28335 56

Hình 5.1: Th viện Target Preferences 57

Hình 5.2: Cửa sổ khai báo c u hình phần c ng 58

Hình 5.3: Th viện Chip Support với các khối ch c năng lập trình nhúng 58

Hình 5.4: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ra digital 59

Hình 5.5: Cửa sổ khai báo ePWM 59

Hình 5.6: Mô hình thực nghiệm c a b biến đổi 1pha ra 3 pha với kỹ thuật nhúng từ Matlab/simulink 60 Hình 5.7: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số 61 Hình 5.8: Khối ADC 61

Hình 5.9: Cửa sổ ADC c a DSP TMS320F28335 62

Hình 5.10: Khối xu t xung 63

Hình 5.13: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và đ dao đ ng ngõ ra V 66

Hình 5.14: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và dòng điện Is 66

Hình 5.15: Đồ thị quan hệ điện áp ngõ vào Vs và đ méo d ng THD (%)

Hình 5.16: Mô hình thực nghiệm b biến đổi 1 pha - 3 pha 75

Hình 5.17: Các thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm 76

Ch ngă1

T NG QUAN

1.1 T ng quan chung v lƿnhăv c nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong và ngoƠiăn c

1.1.1 T ng quan chung v lƿnhăv c nghiên c u

Vào đầu thế kỷ XIX, năng l ng điện đ c đ a vào sử d ng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, đến những thập niên 70-80 c a thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đ c

ng d ng trong những m ch điều khiển, đo l ng, khống chế, b o vệ … hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp

Đến thập niên 90 c a thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ng d ng khá r ng rãi

và thành công trong việc thay thế các khí c điện tử dùng để đóng ngắt cung c p nguồn cho những ph t i, làm các b nguồn công su t lớn trong công nghiệp…Với

u điểm là kích th ớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, kh năng về công su t, điện áp, dòng điện và đ tin cậy ngày càng đ c c i tiến

Với sự phát triển m nh mẽ c a ngành công nghiệp, các yêu cầu về tiết kiệm năng l ng và nâng cao ch t l ng hệ thống dây chuyền s n xu t ngày m t cao hơn, bên c nh đó là gi i pháp các nguồn năng l ng xanh để gi i quyết các v n đề môi tr ng và cũng là nguồn năng l ng trong t ơng lai đang phát triển m nh mẽ

Và cũng với m c tiêu đó, đề tài luận văn tốt nghiêp đ c chọn “Thiết kế, thi công và thử nghiệm b biến đổi m t pha sang ba pha dùng chỉnh l u double boost PFC” nhằm đáp ng các yêu cầu về ổn định điện áp đầu ra cho t i mà vẫn đ m b o

hệ số công su t x p sỉ bằng m t Ngoài ra kết qu c a nghiên c u này có thể áp

d ng nh là m t phần cho các b l u điện, các hệ thống năng l ng gió, năng l ng mặt tr i hòa l ới và không hòa l ới,

Để nghiên c u b biến đổi m t pha sang ba pha học viên sử d ng phần mềm Matlab và Simulink c a hãng Mathwork, Inc [5], phần mềm này có r t nhiều thuận

l i riêng biệt Matlab cho phép sử d ng ngôn ngữ c p cao nh là C, C++ Matlab có

xác su t thống kê, việc xử lý và thu nhận nh, việc xử lý tín hiệu, sự mô phỏng,…Simulink là nền t ng mà có nhiều hàm giống nhau trong Matlab và có nhiều tập khối chuẩn cho phép ng i dùng thực hiện các nhiệm v nh : vào/ra, các phép tổng, hiển thị, đ ng tín hiệu, Còn về phần c ng, khi học viên chọn Matlab

là phần mềm phát triển sơ đồ, thì phần c ng có thể chọn để thực hiện mã t o ra từ trong Matlab nên học viên đư chọn card DSP F28335 c a hãng Texas Instruments [6] vì nó có kh năng lập trình nhúng Card DSP có hiệu su t cao, ít tổn hao công

su t và r t t ơng thích với MATLAB và Simulink

T n Ph ớc làm nền t ng cơ s lý thuyết để nghiên c u gi i thuật chỉnh l u boost interleaved Đề tài tập trung nghiên c u b biến đổi điện áp 1 pha sang 3 pha sử

d ng b nghịch l u hai bậc đ c điều khiển bằng ph ơng pháp điều chế đ r ng xung sin PWM

- Luận văn th c sĩ c a Bùi Thanh Hiếu - Đ i học S Ph m Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh về “Nghiên c u b nguồn ba pha cầu H gồm hai m ch NPC ba bậc” Kết qu nghiên c u c a tác gi Bùi Thanh Hiếu làm nền t ng cơ s lý thuyết để nghiên c u

gi i thuật nghịch l u hai bậc

Đối với n ớc ngoài:

- B chuyển đổi tăng áp thông th ng và xen kẽ [7] đ c thực hiện nhằm hiệu

chỉnh hệ số công su t bằng ph ơng pháp điều chế đ r ng xung Ph ơng pháp này

đ c thực hiện theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt và dựa trên các tín hiệu điều

khiển d ng số, các tín hiệu này có đ c là nh vào sự tập h p các tín hiệu từ b điều khiển dòng điện (khâu hiệu chỉnh PI) và vùng ho t đ ng c a điện áp nguồn Qua mô phỏng với sự h tr c a phần mềm matlab, kết qu cho th y hệ số công

su t sắp sỉ bằng m t, dòng điện d ng sin, tổng méo d ng sóng hài c a dòng điện nguồn (THD) bằng 1.93% và điện áp ngõ ra đáp ng theo yêu cầu hệ thống

- Đề tài điều khiển số c a b chuyển đổi AC-DC tăng hệ số công su t bằng ph ơng pháp điều khiển dự báo [12] Kết qu cho th y hệ số công su t sắp sỉ bằng m t, dòng điện d ng sin, tổng méo d ng sóng hài c a dòng điện nguồn (THD) nhỏ hơn 5%

1.2 M căđíchăc aăđ tài nghiên c u

 Nghiên c u, xây dựng và mô phỏng ch ơng trình cho b nguồn chỉnh l u

AC - DC có tăng áp (interleaved PFC AC-DC converter) dùng phần mềm mô phỏng matlab

 Kh o sát đặc điểm c a c a b biến đổi 1pha - 3pha ng d ng làm nguồn 3 pha

 Nghiên c u phần điều khiển b chỉnh l u AC/DC m t pha

 Nghiên c u phần điều khiển nghịch l u DC - AC, nghịch l u 2 bậc

 Thực hiện điều khiển tích phân PI (repectitive - PI Controller) để hiệu chỉnh tăng áp

 Nghiên c u tính toán, thiết kế và xây dựng ch ơng trình mô phỏng cho b biến đổi m t pha sang ba pha dùng phần mềm mô phỏng

 Lập trình điều khiển b biến đổi m t pha sang ba pha dựa vào Card DSP TMS320F28335

1.3 Nhi m v và gi i h n c aăđ tài

Đề tài “Thiết kế, thi công và thử nghiệm b biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng

chỉnh l u double boost PFC” đ a ra kết qu mô phỏng Từ đó thi công mô hình b biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh l u double boost PFC đồng th i làm cơ s áp

d ng vào thực tiễn

Nhiệm v và giới h n đề tài nghiên c u:

 Tìm hiểu các mô hình toán, các gi i thuật đ c các nhà nghiên c u công

bố và đư thực thi để vận d ng vào đề tài

 Nghiên c u, xây dựng ch ơng trình mô phỏng cho b biến đổi 1 pha - 3 pha dùng chỉnh l u double boost PFC dùng phần mềm mô phỏng matlab

 Tìm hiểu c u trúc phần c ng, tập lệnh c a DSP TMS320F28335 để lập trình nhúng

 Lập trình điều khiển b biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh l u double boost PFC trên cơ s DSP TMS320F28335

 Thi công phần c ng b biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh l u double boost PFC

1.4 Ph ngăphápănghiênăc u

Để đáp ng các m c tiêu đư đề ra, tiến hành nghiên c u và gi i quyết các v n

đề sau:

 Thu thập, nghiên c u các tài liệu liên quan về các b biến đổi 1 pha sang

3 pha dùng chỉnh l u double boost PFC và các gi i thuật đ c công bố

 Nghiên c u và phân tích gi i thuật đư chọn

 Chọn ph ơng án tốt nh t và có kh năng thực hiện đề tài

 Lập trình mô phỏng bằng công c phần mềm matlab

 Lập trình điều khiển b biến đổi 1 pha sang 3 pha dựa vào card DSP TMS320F28335

 Nhận xét kết qu - Kết luận

đ ng cơ điện m t chiều, nguồn kích từ cho máy điện m t chiều hoặc máy điện đồng

b ng d ng c a b chỉnh l u còn đ c dùng trong truyền t i điện đi xa…

M t số m ch chỉnh l u thông d ng nh : chỉnh l u tia ba pha không điều khiển,

chỉnh l u tia ba pha điều khiển, chỉnh l u cầu ba pha điều khiển hoàn toàn, chỉnh

l u cầu m t pha điều khiển hoàn toàn…Các b chỉnh l u này có thể mắc nối tiếp

hoặc song song để c i thiện ch t l ng dòng điện và điện áp

B chỉnh l u có đa d ng mẫu mã, ch ng lo i, các b chỉnh l u có thể đ c phân

lo i bằng các c u trúc ho t đ ng với tần số chuyển m ch th p (chuyển m ch tự nhiên) và các c u trúc ho t đ ng với tần số chuyển m ch cao nh :

- Theo số c p điện áp ngõ vào c a b chỉnh l u công su t: hai bậc (two level), đa bậc (multilevel - ba bậc tr lên)

- Theo c u trúc b chỉnh l u: d ng cascade (H-bridge multilevel rectifier),

d ng chỉnh l u ch a điốt kẹp NPC (neutral point clamped multi Rectifier)

Nh đư trình bày trên ta có thể phân lo i tổng quan nh hình sau:

Hình 2.1: Phân lo i tổng quan c a b chỉnh l u Trong hệ thống chuyển đổi điện tử công su t thông th ng thì các b chỉnh

l u dùng diode và thyristor là đ c sử d ng thông d ng Ph m vi luận văn này chỉ tìm hiểu b chỉnh l u cầu m t pha không điều khiển sử d ng diode

Vd Vs

Hình 2.2: Ch ỉnh l u cầu 1 pha không điều khiển

Điện áp ra Vd │Vs│

2.2 B bi năđ i DC/DC

B biến đổi điện áp m t chiều sử d ng các khóa bán dẫn sơ đồ thích h p để

biến đổi nguồn áp m t chiều thành các chu i xung áp, nh đó sẽ thay đổi đ c trị trung bình áp ra

2.2.1 S ăl c b bi năđ i DC/DC

a B gi m áp ( Buck converter)

 ; Ton là th i gian khóa bán dẫn đóng, T là chu kỳ

D luôn bé hơn hoặc bằng 1 nên V0 luôn bé hơn VDC

b B tăng áp (Boost converter)

1 1

Với D là duty cycle, 1

1 D luôn lớn hơn hoặc bằng 1 nên V0 lớn hơn hoặc bằng

VDC

c B tăng gi m áp (buck-boost converter)

2.3 B bi năđ i AC/DC Boost PFC

B biến đổi AC/DC gồm b chỉnh l u và b tăng áp, hình 2.6 mô t sơ đồ nguyên

lý

L1 L2

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý m ch boost PFC

- Các m ch PFCăth ng dùng :

Hình 2.8: Sơ đồ m ch boost PFC 1 nhánh

- Gi i thích ho t đ ng m ch:

Khi van đóng: Diode D khóa do bị phân cực ng c b i t C Năng l ng trong

t C x qua t i, dòng điện từ nguồn d ơng qua cu n L qua van rồi tr về nguồn âm Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cu n L n p cho t

C với cực tính nh hình vẽ Cu n L đổi cực tính, điện áp n p cho t C là VC = Vd +

Hình 2.9: Dòng điện và điện áp vào b boost PFC Trong tr ng h p tính toán cho m ch điện có điện áp đầu ra (400Vdc) cao hơn điện áp đầu vào (180-240V).Ta sẽ xét các tr ng thái đóng cắt c a van để tìm ra

mối quan hệ giữa các giá trị đầu ra, đầu vào và các thành phần trong m ch để đ a ra những ph ơng pháp chọn thiết bị và điều khiển phù h p nh t với thông số c a m ch theo yêu cầu

Nếu xét trong th i gian r t ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định, tốc đ biến thiên dòng điện qua cu n L sẽ xác lập Khi đó công th c (2.1) có thể biểu diễn d ới

d ng sai phân nh sau:

Với gi thiết VL mang giá trị âm và l ng biến đổi dòng điện Ấi trên cu n L

cũng mang giá trị âm ta có

Khi dòng điện qua cu n dây đư xác lập tổng l ng tăng dòng điện khi van đóng

ph i bằng tổng l ng gi m dòng điện khi van h do đó ta có:

D I R C

T D V C

DT i

.

.

Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra

2.3.1.3 S bi năthiênădòngăđi n trong cu n dây và ch đ dòng liên t c

Để đ m b o đ c ch c năng cho b PFC ta ph i thiết kế để m ch Boost PFC

ho t đ ng chế đ dòng liên t c

Hình 2.12: D ng sóng dòng điện trên cu n dây chế đ dòng liên t c

(Ta tính toán đối với tr ng h p t i thuần tr , khi t i mang tính c m thì giá trị L trong m ch tăng làm cho dòng điện qua nó càng đ c mịn hơn)

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có

Công su t do nguồn cung c p:

( )V P

L L

2.3.2ăPhơnătíchăm chăđi uăkhi năboostăPFCănănhánh

Ph ơng pháp tăng áp 1 nhánh là r t thiết thực nh ng không ph i là gi i pháp

tối u về hiệu su t chuyển đổi, ph ơng pháp song song cũng t ơng tự nh ph ơng pháp 1 nhánh có u điểm là gi m dòng đầu vào và điện áp đầu ra nh p nhô

L1 L2

Hình 2.13: M ch boost PFC với n – giai đo n

Hình trên là m t c u trúc với n - giai đo n tăng xen kẽ chuyển đổi đ c đ a ra

Nh ng trên thực tế là số nhánh tăng, sẽ kéo theo hệ thống ph c t p và b o trì tr nên khó khăn u điểm chính c a đan xen là gi m dòng đầu vào và gi m điện áp đầu ra nh p nhô Những b t l i c a ph ơng pháp đan xen là tăng tín hiệu m ch lái

2.3.3 Tácăd ngăc aăb ăđi uăkhi năPFC:

B PFC đ c lắp đặt t i vị trí giữa nguồn c p (sau chỉnh l u) và t i m t chiều, có tác d ng theo dõi hệ số công su t c a t i và tự đ ng điều chỉnh để điện áp

và dòng điện vào luôn đồng pha (cosphi 1) Đồng th i nó còn có tác d ng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định c a hệ thống, xử lý các thay đổi diễn ra phía nguồn c p và phía t i m t chiều, thông báo và tác đ ng khi x y ra sự cố

2.4 Gi iăthu tăđi uăkhi n

Ph m vi ng d ng c a các chuyển đổi công su t vẫn m r ng nh có sự c i tiến công nghệ ch t bán dẫn, công nghệ ch t bán dẫn này đ a ra hiệu su t điện áp

và dòng điện cao hơn cũng nh các đặc tính chuyển m ch tốt hơn

Mặt khác, những u điểm chính c a các b chuyển đổi điện tử công su t

d ng mođun nh : hiệu qu cao, trọng l ng nhẹ, kích th ớc nhỏ gọn, ho t đ ng nhanh, mật đ công su t cao đang dần đ t đ c, thông qua việc sử d ng các chế đ

ho t đ ng chuyển m ch Các thiết bị bán dẫn công su t đ c điều khiển chế đ đóng/ngắt (ON/OFF) Điều này dẫn đến các kiểu điều chế đ r ng xung khác nhau

và các kiểu điều chế đ r ng xung là m t kỹ thuật xử lý năng l ng cơ b n đ c

ng d ng trong hệ thống chuyển đổi công su t Trong các b chuyển đổi hiện đ i, PWM là m t định vị xử lý tốc đ cao, ph thu c vào công su t định m c, từ m t vài kilohertz (điều khiển đ ng cơ) đến hàng megahertz (các b chuyển đổi c ng

h ng cho nguồn công su t) PWM là ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra t i hay nói cách khác là ph ơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi đ r ng c a chu i xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các khóa IGBT công su t trong các b chỉnh

l u đ c tác đ ng đóng/ngắt (ON/OFF) thì cần có những xung kích c p cho chân

kích c a m i khóa IGBT, với m i khóa IGBT khác nhau thì b xung kích khác nhau, đ r ng c a m i xung trong chu i xung kích thay đổi theo m t qui luật và

ph thu c vào kỹ thuật điều chế đ c chọn

Hình 2.14: Đồ thị điều chế xung kích ( Với đ r ng xung đầu ra t ơng ng và đ c tính bằng %)

2.4.1ăK ăthu tăđi uăch ătheoădòngăđi năyêuăc uăhayăcònăg iălƠădòngăđi năđặtă (Hysteresis current control)

Nguyên lý điều khiển: Theo hình 2.15 ta đư xác định đ c dòng điện yêu cầu , dòng điện yêu cầu đ c so sánh với tín hiệu dòng điện hồi tiếp , khi dòng điện hồi tiếp nhỏ hơn dòng điện yêu cầu thì b điều khiển xu t xung kích để các IGBT công su t đóng vào nguồn d ơng nhằm làm tăng dòng điện hồi tiếp , khi dòng điện hồi tiếp v t quá giá trị yêu cầu thì b điều khiển xu t xung kích để các IGBT công su t đóng vào nguồn âm làm gi m dòng điện hồi tiếp xuống Nh vậy ngõ ra sẽ đ c giữ dao đ ng quanh giá trị yêu cầu với sai số định tr ớc

Hình 2.15: Sơ đồ khối c a kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

Hình 2.16: Nguyên lý xu t xung kích c a kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

u điểm c a m ch điều chỉnh dòng điện dùng m ch trễ là đáp ng quá đ nhanh, thực hiện dễ dàng và chi phí th p

Linh kiện trong b nghịch l u áp có kh năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ng d ng nhỏ và vừa có thể sử d ng transistor BJT, MOSFET, IGBT

ph m vi công su t lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết h p với b chuyển

m ch Với t i tổng quát, m i diode còn trang bị m t diode mắc đối song với nó Các diode mắc đối song này t o thành m ch chỉnh l u cầu không điều khiển có chiều

dẫn ng c l i với chiều dẫn điện c a các công tắc Nhiệm v c a b chỉnh l u cầu diode là t o điều kiện thuận l i cho quá trình trao đổi công su t o giữa nguồn m t chiều và t i xoay chiều, qua đó h n chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công

tắc

 Phân lo i

Theo số pha điện áp ngõ ra : b nghịch l u áp m t pha, ba pha, …

Theo số c p giá trị điện áp giữa đầu pha t i đến m t điểm điện thế chuẩn trên

m ch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_level – từ 3 bậc tr lên),

Theo c u hình c a b nghịch l u: d ng cascade (cascade inverter), d ng nghịch l u ch a diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter),… Theo ph ơng pháp điều khiển :

- Ph ơng pháp điều r ng

- Ph ơng pháp điều biên

- Ph ơng pháp điều chế đ r ng xung (SH - PWM)

- Ph ơng pháp điều chế đ r ng xung c i biến (Modifed PWM)

- Ph ơng pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM – Carrier Based PWM)

2.5.1 Cácăph ngăphápăđi u ch

- Ph ơng th c điều khiển đ r ng xung (PWM)

N i dung c a ph ơng pháp điều chế đ r ng xung là t o ra m t tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên đ tỷ lệ với biên đ điện ra nghịch l u Tín

hiệu này sẽ đ c so sánh với m t tín hiệu răng c a có tần số lớn hơn r t nhiều tần

số c a tín hiệu sin chuẩn Giao điểm c a hai tín hiệu này xác định th i điểm đóng

m van công su t Điện áp ra có d ng xung với đ r ng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 2.17: D ng sóng đầu ra theo ph ơng pháp điều chế đ r ng xung (vo1 - thành phần sin cơ b n, vi - điện m t chiều vào b nghịch l u, vo - điện áp ra )

Trong quá trình điều chế, ng i ta có thể t o xung hai cực hoặc m t cực, điều

biến theo đ r ng xung đơn cực và điều biến theo đ r ng xung l ỡng cực Trong

đề tài này em sử d ng ph ơng điều chế đ r ng xung đơn cực

Ph ơng pháp điều chế cơ b n là:

- Điều chế theo ph ơng pháp sin PWM (SPWM)

 Đi u ch theoăph ngăphápăsinăPWMă(SPWM)

Để t o ra điện áp xoay chiều bằng ph ơng pháp SPWM, ta sử d ng m t tín

hiệu xung tam giác v tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với m t tín hiệu sin chuẩn

v dk(gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này c p cho b nghich l u

m t pha, thì ngõ ra sẽ thu đ c d ng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ b n

có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v dk và biên đ ph thu c vào nguồn điện

m t chiều c p cho b nghịch l u và tỷ số giữa biên đ sóng sin mẫu và biên đ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn r t nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 2.18 miêu t nguyên lý c a c a ph ơng pháp điều chế SPWM m t pha:

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0012 0.014 0.016 0.018 0.02 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

Vdk Vtri

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0

Vd

Ap nghich luu VA0

Hình 2.18: Nguyên lý điều chế SPWM m t pha

Hình 2.20: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên đ ma đ c định nghĩa là tỷ số giữa biên đ c a tín hiệu điều khiển với biên đ c a sóng mang:

c

a tri

V m V

ma - hệ số điều biến

Vc - biên đ sóng điều khiển

Vtri - biên đ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên đ c a thành phần sin cơ b n VA01 (điện

áp pha) trong d ng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công th c:

Giá trị c a mf đ c chọn sao cho nên có giá trị d ơng và lẻ Nếu mf là m t giá

trị không nguyên thì trong d ng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa ph Nếu mf không ph i là m t số lẻ, trong d ng sóng đầu ra sẽ tồn t i thành phần m t chiều và các hài bậc chẵn Giá trị c a mf nên là b i số c a 3 đối nghịch l u áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là b i số c a ba

Nh vậy, nếu điện áp m t chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên đ và

tần số c a điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên đ và tần số c a tín hiệu sin chuẩn v c Đặc tr ng cơ b n c a ph ơng pháp này là thành phần sóng điều hòa c a điện áp ra Muốn gi m các sóng điều hòa bậc cao cần ph i tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển m ch l i tăng lên

Ch ngă3

BOOST PFC

3.1 Tính toán m ch Boost PFC

Ta sẽ tính toán cho m ch boost PFC có thông số nh sau :

Công su t đầu ra: 1KW

Điện áp ngõ vào: 220 Vac, 50Hz

Điện áp ngõ ra m t chiều: 400 V

Tần số đóng cắt fsw =100Khz

Đ g n dòng điện cu n c m: 10% Ipk

Hiệu su t b biến đổi 97%

Tính toán dòng điện đầu vào max:

0max ( ax)

1000

4,7 ( )0,97 220 0,99

Tính toán chọn t lọc

2 2 2 2 1000 34 102 23 1100

out out

Chọn t Aluminium capacitors có thông số 1600F, 500V

Công th c tính toán theo [8]

Khối nguồn AC cung c p cho m ch chỉnh l u m t nguồn điện áp 50Hz

220Vrms-Cu n c m L dùng để boost điện áp ngõ ra và có giá trị 5mH

Khối công su t có ch c năng đóng ngắt các khóa IGBT để chuyển đổi năng

l ng điện xoay chiều thành m t chiều theo sự điều khiển c a b điều khiển

Khối nghịch l u biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha

Khối t i gồm t i R và t i L mắc nối tiếp tiêu th công su t

Nguyên lý ho t đ ng c a hệ thống này là nhận năng l ng điện xoay chiều

từ khối nguồn AC thông qua cầu chỉnh l u qua cu n kháng L với sự tác đ ng c a các xung điều khiển xu t ra từ b điều khiển nhằm điều khiển các IGBT trong khối công su t để chuyển đổi năng l ng điện xoay chiều thành năng l ng điện m t chiều Sau đó nguồn điện 1 chiều qua b nghịch l u biến đổi thành điện áp xoay chiều c p cho t i

3.2.1 Thi t l p thông s cho các kh i

- Khối nguồn AC

Hình 3.2: Khối nguồn AC

- Cu n kháng ngõ vào:

Hình 3.5: Chọn thông số Diode

Chọn t có các thông số sau:

Hình 3.6: Chọn thông số t

Khối nghịch l u: gồm 6 IGBT mắc nh hình vẽ:

Hình 3.7:Khối công su t m ch nghịch l u

- Khối t i: gồm t i R, L mắc nối tiếp nhau

Hình 3.8: Khối t i R,L

3.2.2 Các k t qu mô ph ng c a b bi năđ i 1 pha sang 3 pha

Hình 3.9: D ng sóng dòng điện Is và điện áp Vs ngõ vào

Để th y rõ d ng sóng dòng điện Is và điện áp Vs ngõ vào ta nhân hệ số điện áp Vs ngõ vào cho hệ số 1/20 ta đ c nh hình 3.10

Hình 3.11: D ng sóng dòng điện trên cu n dây L1

Hình 3.13: D ng sóng điện áp dây nghịch l u

Hình 3.14: D ng sóng điện áp nghịch l u

Hình 3.15: D ng sóng dòng điện t i