Nghiên cứu xây dựng thiết bị khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung

Việc áp dụng phương pháp khởi động mềm và dừng mềm, nhất là đối với các hệ thống công suất lớn sẽ giúp giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động; bảo vệ thiết b

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Giáp Văn Hội, học viên cao học lớp Điều khiển và Tự động hóa, khóa 2013B Sau hơn 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, được sự hướng dẫn của các thầy cô giáo, đặc biệt là TS Đỗ Mạnh Cường, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp

Đề tài luận văn tốt nghiệp của tôi là: “Nghiên cứu, xây dựng thiết bị khởi động mềm dùng phương pháp điều chế độ rộng xung” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Mạnh Cường

và chỉ tham khảo các tài liệu được liệt kê Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Người cam đoan

Giáp Văn Hội

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM 9

1.1 Kỹ thuật khởi động mềm và dừng mềm 10

1.1.1.Khởi động mềm 10

1.1.2.Dừng mềm 11

1.1.2.Tiết kiệm năng lượng khi non tải 12

1.2 Phương pháp điều áp trong các bộ khởi động mềm truyền thống 12

1.2.1 Phương pháp điều khiển góc pha 12

1.2.2 Khởi động mềm bằng bộ biến tần 18

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 24

2.1 Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 24

2.1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM 24

2.1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM 25

2.2 Băm xung điện áp xoay chiều một pha (single – phase AC choppper) 27

2.2.1 Buck AC chopper 31

2.2.2 Boost AC chopper 33

2.2.3 Buck – Boost AC chopper 35

2.3 Băm xung điện áp xoay chiều ba pha (three – phase AC chopper) 36

Chương 3 – MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ 38

3.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái 38

3.2 Mô hình toán ho ̣c bộ Buck AC chopper 41

3.3 Mô hình toán ho ̣c bộ Boost AC chopper 44

3.4 Mô hình toán ho ̣c bộ Buck – Boost AC chopper 47

Chương 4 - MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK 51

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DC: Direct Current – Điện một chiều

AC: Alternating Current – Điện xoay chiều

THD: Total Harmonic Distortion – Méo hài tổng

APOD: Alternative Phase Opposition Disposition – sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800

PD: In Phase Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha

POD: Phase Opposition Disposition - Sóng mang dạng tam giác bố trí đối xứng qua trục zero

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck AC chopper 32 Bảng 2.2 Điện áp ra và các trạng thái của van mạch Boost AC chopper 34 Bảng 2.3 Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck - Boost AC chopper 35 Bảng 2.4 Điện áp ra theo các trạng thái van của mạch Buck - Boost AC chopper 37

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Điện áp và dòng điện khi khởi động mềm 10

Hình 1.2 Điện áp khi dừng tự do và dừng mềm 12

Hình 1.3 Sơ đồ ma ̣ch lực dùng 6 thyristor 13

Hình 1.4 Điện áp pha A với góc α = 300 13

Hình 1.5 Xung điều khiển các van 14

Hình 1.6 Giản đồ hoa ̣t đô ̣ng của các van và góc điều khiển α 15

Hình 1.7 Áp ra thay đổi theo góc α 17

Hình 1.8Dạng điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A với tải R = 1Ω, L = 1mH, góc α = π/2 17

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 18

Hình 1.10 Dạng sóng đầu ra nghich lưu PWM 19

Hình 1.11 Nguyên lý điều chế SPWM một pha 20

Hình 1.12 Nghịch lưu áp ba pha 20

Hình 1.13 Điều chế SPWM ba pha và da ̣ng điê ̣n áp ra 21

Hình 2.1 Hình dạng sóng mang APOD 26

Hình 2.2 Hình dạng sóng mang PD 26

Hình 2.3 Hình dạng sóng mang POD 27

Hình 2.4 Chuỗi xung PWM với duty cycle khác nhau 28

Hình 2.5 Dạng điện áp 28

Hình 2.6 Mạch lực AC Chopper 1 pha 29

Hình 2.7 Xung PWM cho các van 29

Hình 2.8 Các chế độ hoạt động của mạch 30

Hình 2.9 Buck AC chopper 31

Hình 2.10 Các tra ̣ng thái chuyển ma ̣ch của ma ̣ch Buck AC chopper 32

Hình 2.11 Boost AC chopper 33

Hình 2.12 Các tra ̣ng thái chuyển ma ̣ch của ma ̣ch Boost 34

Hình 2.13 Buck – Boost AC chopper 35

Hình 2.14 Các tra ̣ng thái chuyển ma ̣ch của ma ̣ch Buck – Boost 35

Hình 2.15 Ba pha AC Chopper 36

Hình 2.16 Các tra ̣ng thái của ma ̣ch AC Chopper 3 pha 36

Hình 4.1 Mô hình hệ thống PWM AC Chopper 3 pha 51

Hình 4.2 Điê ̣n áp nguồn 3 pha 220V/50Hz 51

Hình 4.3 Tải RL nối sao đối xứng với R = 0.5Ω, L = 1mH 52

Hình 4.4 Khối MACH LUC 52

Hình 4.5 Khối DIEU KHIEN 53

Hình 4.6 Khối TAO XUNG 54

Hình 4.7 Khối Pha A Min 54

Hình 4.8 Xung S1 (trên) và S4 (dưới) trong 2 chu kỳ điê ̣n áp 55

Hình 4.9 Thứ tự đóng cắt của các van theo thứ tự S1, S4, S3, S6, S5, S2 55

Hình 4.10 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên pha A 56

Hình 4.11 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 8.56% 56

Hình 4.12 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A 57

Hình 4.13 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 27.29% 57

Hình 4.14 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên Pha A 58

Hình 4.15 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 0.86% 58

Hình 4.16 Điê ̣n áp và dòng điê ̣n trên Pha A 59

Hình 4.17 Phân tích phổ sóng hài dòng điê ̣n (290 chu kỳ), THD = 2.73% 59

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất, một trong số đó là các thiết bị khởi động mềm

Việc áp dụng phương pháp khởi động mềm và dừng mềm, nhất là đối với các

hệ thống công suất lớn sẽ giúp giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động); bảo vệ thiết bị, mang lại hiệu suất cao hơn trong chế độ làm việc liên tục

Các bộ khởi động mềm dùng thyristor truyền thống (đặc biệt trong công suất lớn trên 100kW) có nhiều nhược điểm như gây ra méo lớn, điều khiển bằng xung dòng điện tuy nhiên khả năng kiểm soát dòng điện khi khởi động chưa tốt…

Thiết bị điều áp xoay chiều dùng các van điều khiển hoàn toàn như MOSFET, IGBT cho phép băm trực tiếp điện áp xoay chiều từ nguồn để cấp cho phụ tải có thể giảm thiểu được các thành phần hài bậc thấp (bậc 3, 5, 7), cải thiện được độ méo phi tuyến ảnh hưởng tới nguồn

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật này được viết với mục đích nghiên cứu đặc tính làm việc của các thiết bị bán dẫn công suất mà cụ thể là các thiết bị điều áp xoay chiều sử dụng van điều khiển hoàn toàn và các ứng dụng của chúng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KHỞI ĐỘNG MỀM

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng rộng rãi trong công nghiệp vì chúng

có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới

Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính

từ một giá trị xác định đến điện áp định mức Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở các van công suất bằng bộ vi

xử lý với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mềm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải Có chức năng bảo vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha

 Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm:

- Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

- Động cơ bơm

- Động cơ vận hành non tải lâu dài

- Động cơ có bộ chuyển đổi (hộp số, băng tải, …)

- Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ép, máy khuấy, máy dệt, …)

 Đặc điểm của bộ khởi động mềm:

- Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt

- Có chức năng điều khiển và bảo vệ

Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp,

mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi

Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở van bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua 0 kế tiếp của điện áp nguồn

Hình 1.1 Điện áp và dòng điện khi khởi động mềm

Trong đó:

Ia – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp;

Is – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp;

In – Dòng điện định mức của động cơ;

n – Tốc độ động cơ;

Us – Điện áp bắt đầu ramp;

Un – Điện áp định mức của động cơ;

Tr – thời gian ramp

Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính là chức năng phát hiện tăng tốc

1.1.2 Dừng mềm

Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng trong khoảng thời gian xác định Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột không mong muốn Không nên cắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người, thiết

bị và sản phẩm

Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng

từ 1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un

và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu Thời gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình

Hình 1.2 Điện áp khi dừng tự do và dừng mềm

Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm

từ từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động trở lại

1.1.3 Tiết kiệm năng lượng khi non tải

Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải thì trong trường hợp này khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0, việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng và tổn hao sắt %

1.2 Phương pháp điều áp trong các bộ khởi động mềm truyền thống

1.2.1 Phương pha ́ p điều khiển góc pha

Mạch lực của phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha truyền thống gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược, các thyristor được kích mở ở các khoảng thời gian

bằng nhau và bằng 1/6 chu kỳ điê ̣n áp nguồn theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6 với

góc mở α Khi đó, ta ̣i mỗi thời điểm có ba tra ̣ng thái xảy ra:

- Mỗi pha có mô ̣t van dẫn, như vâ ̣y, tải được mắc đầy đủ ba pha vào lưới do đó, điê ̣n áp pha trên tải bằng điê ̣n áp nguồn

- Có hai van dẫn ở hai pha, mô ̣t pha tải bi ̣ ngắt điê ̣n và hai pha tải còn la ̣i sẽ chia nhau điê ̣n áp dây nào được nối vào nguồn

- Không có van nào dẫn, tải bi ̣ ngắt hẳn khỏi nguồn

Hình 1.3 Sơ đồ ma ̣ch lực dùng 6 thyristor

Hình 1.4 Điện áp pha A với góc α = 300

Các tra ̣ng thái trên phu ̣ thuô ̣c vào góc điều khiển α và góc φ của tải

   Ta chia thành ba vùng làm viê ̣c sau:

- α < φ: dòng tải liên tu ̣c, điê ̣n áp ra không điều khiển được Khi α > φ, dòng tải gián đoa ̣n, điê ̣n áp ra được điều khiển theo góc α

- φ < α < αgh: trong vù ng này xen kẽ những giai đoa ̣n hai hoă ̣c ba van dẫn αgh

là góc giới ha ̣n của vùng này

- αgh < α < 5π/6: vù ng chỉ có giai đoa ̣n hai hoă ̣c không van nào dẫn

Trong đó αgh được xác đi ̣nh bởi:

/ 3tan gh

arctan e

23

Hình 1.6 Giản đồ hoa ̣t đô ̣ng của các van và góc điều khiển α

Do tính chất đối xứng nên da ̣ng dòng điê ̣n và điê ̣n áp của các pha tương tự nhau nhưng lê ̣ch pha nhau 1200, lại có da ̣ng dòng điê ̣n và điê ̣n áp của mô ̣t pha la ̣i

gồ m hai nửa chu kỳ đối xứng nhau nên ta chỉ cần xét các dòng điê ̣n và điê ̣n áp ở trong

một khoảng 1/6 chu kỳ là có đủ cả da ̣ng của mô ̣t chu kỳ Vâ ̣y dưới đây ta chỉ xét mô ̣t khoảng từ α đến (α + π/3) cho pha A

- Vùng φ < α < αgh

Ở thời điểm phát xung mở T1, trước đó có hai van T6, T5 đang dẫn, dòng qua

T5 là iC giảm về 0 ở thời điểm θ1 Như vâ ̣y, trong khoảng α < θ < θ1 có 3 van T1, T6,

T5 dẫn suy ra:

Hình 1.7 Áp ra thay đổi theo góc α

Hình 1.8 Da ̣ng điê ̣n áp và dòng điê ̣n pha A với tải R = 1Ω, L = 1mH, góc α = π/2

Nhận xét:

 Ưu điểm:

- Điều chỉnh điê ̣n áp vô cấp, linh hoa ̣t

- Điều chỉnh nhanh, dễ ta ̣o các ma ̣ch vòng tự đô ̣ng điều chỉnh

- Kích thước bô ̣ biến đổi go ̣n nhe ̣, giá thành rẻ

 Khuyết điểm:

- Chất lượng điê ̣n áp không tốt (không có da ̣ng sin)

- Tổn hao só ng bâ ̣c cao

1.2.2 Khơ ̉ i đô ̣ng mềm bằng bô ̣ biến tần

Biến tần trong hê ̣ truyền đô ̣ng có chức năng chính là thay đổi tần số và biên

đô ̣ điê ̣n áp nguồn cấp vào đô ̣ng cơ để thay đổi tốc đô ̣ đô ̣ng cơ Các bô ̣ biến tần phổ biến hiê ̣n nay là các bô ̣ biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp là bô ̣ biến đổi tần số, biên đô ̣ điê ̣n áp nguồn cấp thông qua khâu trung gian điê ̣n áp mô ̣t chiều

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Phương pháp điều chế điê ̣n áp đầu ra trong bô ̣ biến tần chủ yếu dựa vào hai phương pháp:

- Phương pháp điều chế sin PWM (SPWM)

- Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)

Phương pháp SPWM dựa vào một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra

và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp ra nghịch lưu Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 1.10 Dạng sóng đầu ra nghich lưu PWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín

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

(gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có

tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v c và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một

chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang

Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình dưới miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 1.11 Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hình 1.13 Điều chế SPWM ba pha và da ̣ng điê ̣n áp ra

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang:

c a tri

VmV

Trong đó ma - hệ số điều biến ;

Vc - biên độ sóng điều khiển ;

Vtri - biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01

(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ

có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1)

Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển:

tri f c

fmf

Trong đó:

mf - hệ số điều chế tần số ;

ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWM ;

fc - tấn số tín hiệu điều khiển

Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài

là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn

v c Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp

ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM

Thiết bị điều áp xoay chiều đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như

lò công nghiệp, điều khiển dây chuyền, điều chỉnh ánh sáng, khởi động mềm của động cơ cảm ứng và kiểm soát tốc độ quạt, máy bơm Để thực hiện điều áp, kỹ thuật điều chỉnh góc pha đã được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật này có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và sử dụng mạch điều khiển, nhưng có nhược điểm là hệ số công suất kém, thành phần sóng hài cao trong cả nguồn cấp và phụ tải Các thiết bị điều áp xoay chiều có thể được thay thế bằng các bộ AC choppers sử dụng phương pháp điều chế

độ rộng xung (PWM) để có thể sử dụng hiệu quả hơn Với phương pháp này, điện áp đầu vào được cắt nhỏ thành các phân đoạn và các cấp điện áp đầu ra được quyết định bằng cách kiểm soát chu kỳ làm việc của các công tắc chuyển mạch

2.1 Tổng quát về kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM

2.1.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM

- Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: được định nghĩa như tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài

cơ bản đạt được trong phương pháp điều khiển sáu bước (sixstep)

m = 𝑈1𝑚

𝑈 1𝑚−𝑠𝑖𝑥𝑠𝑡𝑒𝑝 = 𝑈21𝑚

𝜋 𝑉 𝑑

(2.1) Với Vd là tổng điện áp các nguồn DC

- Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion): Là đại lượng dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn điện, được tính theo:

THDI =

√∑∞𝑗≠1𝐼(𝑗)2

Độ méo dạng trong trường hợp dòng điện không chứa thành phần DC được tính theo hệ thức sau:

I(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện

- Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của linh kiện tăng lên Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì những lí do sau:

 Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt

 Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz

 Các qui định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility - EMC) qui định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần

số cao hơn 9KHz

2.1.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM

- Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative

Phase Opposition Disposition)

Hình 2.3 Hình dạng sóng mang POD

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang

đa bậc cùng pha – PD cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất Đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc, phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả dạng sóng mang

2.2 Băm xung điê ̣n áp xoay chiều mô ̣t pha (single – phase AC choppper)

Điều chế độ rô ̣ng xung (PWM) là thay đổi đô ̣ rô ̣ng của xung hay còn go ̣i là duty cycle (khoảng thời gian tín hiệu ở mức cao) trong một chu kỳ (Time period) của một chuỗi xung có tần số cố định, qua đó làm thay đổi điện áp trung bình cấp ra tải (sử dụng để thay đổi vận tốc động cơ DC, độ sáng đèn, khởi đô ̣ng đô ̣ng cơ,…) Duty cycle được tính như sau:

on

on off

TD





Hình 2.4 Chuỗi xung PWM với duty cycle khác nhau

Ý tưởng của phương pháp băm xung điê ̣n áp xoay chiều điện áp vào sẽ được chia thành các mảnh nhỏ, bằng việc điều khiển độ rộng các mảnh này, ta sẽ điều khiển được mức điện áp ra và điê ̣n áp ra sẽ có da ̣ng gần với sin hơn (Hình 2.5)

Hình 2.5 Dạng điện áp

Dựa vào ý tưởng trên, ta thiết kế ma ̣ch

nguyên lý gồm 4 van công suất và 4 điốt mắc

như hình 2.6 để điều khiển cà 2 nửa chu kỳ

Khi ua > 0, S1, S1c được điều khiển bởi xung

PWM có tần số cao (fPWM >> fnguồ n) trong khi

S2, S2c được cấp xung đóng hoàn toàn Khi ua

đổi chiều thì ngược lại Giản đồ đóng mở van

được cho trên hình 2.7 Hình 2.6 Mạch lực AC Chopper 1 pha

Hình 2.7 Xung PWM cho các van

Để tránh ngắn ma ̣ch nguồn và hở ma ̣ch dòng tải, các cặp van (S1, S1c) và (S2,

S2c) phải không bao giở cùng đóng hoă ̣c cùng mở

Các van được cấp xung mở hoàn toàn trong nửa chu kỳ làm giảm số lần chuyển

mạch của van, tăng tuổi thọ cho van

Trong một chu kỳ chuyển mạch (chu kỳ T của xung PWM), mạch hoạt động

ở 2 chế độ tùy theo trạng thái đóng ngắt của các van:

- Chế độ tích cực (Active mode): Trong khoảng thời gian D.T van S1 và van S2

đồng thời được mở, điện áp ra tải bằng điện áp nguồn Dòng điện tải đi qua S1, điốt

S2 (hoặc S2, điốt S1) về nguồn

- Chế độ xả (Freewheeling mode): khoảng thời gian còn la ̣i (1-D).T, van S1c và

S2c cù ng được mở, tải ngắn ma ̣ch, điê ̣n áp ra tải bằng 0

Hai chế độ hoạt động của mạch được miêu tả trong hình 2.8