Nghiên cứu chế tạo board điều khiển đa năng sử dụng cho điều khiển hệ thống thiết bị điện tử công suất

5.1 Mô phỏng vòng hở kỹ thuật điều khiển bằng một sóng mang bộ nghịch lưu cầu H 59 Chương 6: Nghiên cứu kỹ thuật cải thiện chất lượng điều khiển mạch biến 8.1 Một số kết qủa thu được trê

5.1 Mô phỏng vòng hở kỹ thuật điều khiển bằng một sóng mang bộ nghịch

lưu cầu H

59

Chương 6: Nghiên cứu kỹ thuật cải thiện chất lượng điều khiển mạch biến

8.1 Một số kết qủa thu được trên mô phỏng dùng phần mềm

MATLAB/SIMULINK:

80

Trang 2

TÓM TẮT

Vi xử lý DSP TMS320F28335 hiện là DSP điều khiển phổ biến ở các PTN điều khiển thiết bị điện tử công suất M ột xu thế mới đơn giản hiện nay là giải thuật điều khiển được thực thi trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F28335 với chương trình trình nhúng sử dụng phần mềm MATLAB, PSIM và trình biên dịch CCS3.0

Biến tần đa bậc được sử dụng thay thế cho mạch công suất điều khiển hệ thống truyền động là một xu thế mới hiện nay Phương án thay thế này có thể giúp giải quyết các bài toán liên quan đến nâng cao chất lượng điều khiển của biến tần mà hệ thống cổ điển sử dụng biến tần hai bậc bị hạn chế

Đề tài sẽ quan tâm đến các việc thiết kế board điều khiển đa năng tích hợp vi xử lý DSP 28335, hệ thống cảm biến phục vụ đo lường tín hiệu dòng, áp hồi tiếp và các mạch lái IGBT Các giải thuật điều khiển giải quyết các vấn đề Common mode được xử lý bằng kỹ thuật nhúng trực tiếp trên DSP 28335 Mô hình thực nghiệm được sử dụng là mô hình biến tần cascade 5-bậc cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ 3 pha

Chất lượng cả của dòng, áp ngõ ra của hệ thống và cải thiện của điện áp Common mode so với hệ thống truyền động cổ điển đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán cũng như khả năng hoạt động ổn định của board điều khiển

Trang 3

ABSTRACT

The DSP TMS320F28335 is currently a popular microcontroller in many power electronics laboratories The control algorithm can now be simply implemented on the DSP TMS320F28335 microcontroller using the embedded programming supported by Matlab and PSIM software and the compiler program supported by the Code Composer Studio 3.0 software

The multi-level inverter that ultilized as the power circuit for the elcectric drive systems has been a promising trend It helps solve many problems related to the Common mode voltage and overmodulation PWM…, which, inherently exist as the drawbacks in system driven by the conventional two-level inverter

The project will pay attention to the design of a universal board that integrates the DSP 28335 microprocessor, the sensors system of feedback current, voltage, and the gate driver circuit The control algorithms of the Common mode voltage mitigation method and PWM control strategies in high voltage have been implemented on DSP 28335 of the designed board using embedded programming The experiment prototype is the five-level cascaded inverter which supplies a three-phase induction motor

The quality of the output currents, voltages and the improvement of the Common mode voltage as compared to those of conventional electric drive systems has confirmed the validation of the proposed control algorithms as well as the effective and stable performance of the designed controller board

Trang 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DC Direct Current

ADC Analog-to-Digital Converter

DSP Digital Signal Processor

I/O Input/Output

IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO Gate-Turn-Off thyristor

IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor

NPC Neutral Point Clamped

PI Proportional-Integral

PWM Pulse Width Modulation

SPWM Sine Wave Pulse Width Modulation

THD Total Harmonic Distortion

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Điện áp ra và trạng thái kích với cấu trúc hình 1.1 (Ux1=3u, Ux2=u) Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của bộ chỉnh lưu cầu 6RI100G-160

Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật của IGBT STGW40N120KD

Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật của diode STTH3012

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của mạch lái SKHI21

Bảng 3.1: Công thức tính tần số sóng mang dựa trên dạng sóng

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Bộ nghich lưu áp đa bậc dạng Cascade

Hình 1.2: Đồ thị điều chế xung kích

Hình 1.3: Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

Hình 1.4: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu Hình 1.5: Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma

Hình 1.6: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế Delta-sigma

Hình 1.7: Sơ đồ của kỹ thuật điều chế CPWM

Hình 1.8: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế CPWM

Hình 1.9: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế SPWM

Hình 1.10: Sóng mang dạng PD

Hình 1.11: Sóng mang dạng APOD

Hình 1.12: Sóng mang dạng POD

Hình 1.13: Cấu trúc mô hình thực nghiệm

Hình 1.14: Cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc

Hình 1.15: Máy biến áp /Y

Hình 1.16: Cầu chỉnh lưu 6RI100G-160 và sơ đồ nguyên lý

Hình 1.17: Tụ HCGFA 1800F-450VDC và sơ đồ đấu tụ

Hình 1.18: Hình ảnh bố trí các linh kiện mạch nguồn DC

Hình 1.19: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT STGW40N120KD

Hình 1.20: Hình dạng và sơ đồ chân của diode STTH3012

Hình 1.21: Mạch nguyên lý khối công suất cho một nhánh pha

Hình 1.22: Sơ đồ nối dây và ảnh thực tế board mạch IGBT

Hình 1.23: Sơ đồ đấu dây bộ tải RL

Trang 7

Hình 1.24: Tải động cơ

Hình 2.1: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí 176 chân của F28335

Hình 2.3: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335

Hình 2.4: Mạch nguyên lý mainboard

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC, +15V và -5V

Hình 2.6: Board mạch nguồn DC 15V và -5V

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver

Hình 2.8: Mạch kích IGBT cho 1 nhánh pha

Hình 2.9: Sơ đồ bố trí linh kiện cho mạch kích

Hình 2.10: Board mạch kích

Hình 2.11: Board mạch lái

Hình 2.12: Board mạch lái SKHI21

Hình 2.13: Sơ đồ tổng quan nguyên lý hoạt động mạch cảm biến áp

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp

Hình 3.4: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng

Hình 3.5: Thư viện Chip Support với các khối chức năng lập trình nhúng

Trang 8

Hình 3.6: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ra digital

Hình 3.7: Cửa sổ khai báo ePWM

Hình 3.8: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/simulink điều khiển cân bằng điện áp tụ cho bộ nghịch lưu lai 5 bậc

Hình 3.9: Cửa số khai báo thông số khối F28335 eZdsp

Hình 3.10: Cửa sổ khai báo khối ADC

Hình 3.11: Cửa số khai báo thông số khối tạo sóng sin

Hình 3.12: Cửa số khai báo thông số khối ePWM

Hình 3.13: Mô hình lắp đặt hoàn chỉnh

Hình 4.1: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục

Hình 4.2: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn

Hình 4.3: Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/biên độ sóng mang Hình 4.4: Dạng sóng điều khiển và sóng mang MSPWM

Hình 4.5: Dạng xung kích trong MSPWM

Hình 4.6: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc

Hình 4.7: Mô phỏng kỹ thuật PWM sử dụng một sóng mang

Hình 8.2: a).Điện áp dây - b).Điện áp tải và common mode

Hình 8.3: Điện áp dây và FFT ứng với m = 1.023

Hình 8.4: Điện áp tải và FFT ứng với m = 1.023

Trang 9

Hình 8.5: Điện áp hai đầu R ứng với m = 1.023 Hình 8.6: Common mode ứng với m = 1.023 Hình 8.7: Điện áp dây và FFT ứng với m = 1.017 Hình 8.8: Điện áp tải và FFT ứng với m = 1.017 Hình 8.9: Điện áp hai đầu R ứng với m = 1.017 Hình 8.10: Common mode ứng với m = 1.017

Trang 10

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành gửi lời cảm ơn:

- Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, đã tài trợ kinh phí và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm nghiên cứu hoàn thành đề tài

- Ban giám hiệu và toàn thể Quí Thầy Cô Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM tạo mọi điều kiện, môi trường nghiên cứu

- Nghiên cứu viên Phòng Thí Nghiệm Hệ Thống Năng Lượng – Khoa Điện – Điện Tử đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu

Trang 11

CHƯƠNG 1

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH BẢO VỆ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG

1.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade

Hình 1.1: Bộ nghich lưu áp đa bậc dạng Cascade Mạch nghịch lưu đa bậc kiểu cascade sử dụng các nguồn một chiều riêng biệt nên rất thích hợp trong trường hợp sử dụng các nguồn một chiều có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery… Quan sát hình 1.1, có thể xem mỗi pha của nghịch lưu đa bậc kiểu cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này

có các nguồn một chiều riêng

Với cấu trúc nghịch lưu kiểu cascade 2 module sẽ có 9 mức điện áp pha tải ứng với 16 trạng thái kích Nếu điện áp nguồn DC cung cấp cho các module (với cấu trúc hình 1.1) là Ux1 = 3.Ux2 =3.u thì điện áp ra và trạng thái kích tương ứng được trình bày tại bảng 1.1 Bảng 1.1: Điện áp ra và trạng thái kích với cấu trúc hình 1.1 (Ux1=3u, Ux2=u)

1.2 Các phương pháp điều khiển

Phạm vi ứng dụng của các chuyển đổi công suất vẫn mở rộng nhờ có sự cải tiến công nghệ chất bán dẫn, công nghệ chất bán dẫn này đưa ra hiệu suất điện áp và dòng điện cao hơn cũng như các đặc tính chuyển mạch tốt hơn

Mặt khác, những ưu điểm chính của các bộ chuyển đổi điện tử công suất dạng mođun như: hiệu quả cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, hoạt động nhanh, mật độ công suất cao đang dần đạt được, thông qua việc sử dụng các chế độ hoạt động chuyển mạch Các thiết bị bán dẫn công suất được điều khiển ở chế độ đóng/ngắt (ON/OFF) Điều này dẫn đến các kiểu điều chế độ rộng xung khác nhau và các kiểu điều chế độ rộng xung là một kỹ thuật xử lý năng lượng cơ bản được ứng dụng trong hệ thống chuyển đổi công suất Trong các bộ chuyển đổi hiện đại, PWM là một định vị xử lý tốc độ cao, phụ thuộc vào công suất định mức, từ một vài kilohertz (điều khiển động cơ) đến hàng megahertz (các bộ chuyển đổi cộng hưởng cho nguồn công suất)

Hình 1.2: Đồ thị điều chế xung kích

1.2.1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu (Hysteresis current control)

Nguyên lý điều khiển: Theo hình 2.8 ta đã xác định được dòng điện yêu cầu i*a, dòng điện yêu cầu i*a được so sánh với tín hiệu dòng điện hồi tiếp ia, khi dòng điện hồi tiếp ia nhỏ hơn dòng điện yêu cầu i*a thì bộ điều khiển xuất xung kích để các IGBT công suất đóng vào nguồn dương nhằm làm tăng dòng điện hồi tiếp ia, khi dòng điện hồi tiếp

a

i vượt quá giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển xuất xung kích để các IGBT công suất đóng vào nguồn âm làm giảm dòng điện hồi tiếp iaxuống Như vậy ngõ ra sẽ được giữ dao động quanh giá trị yêu cầu i*a với sai số định trước

Hình 1.3: Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

Trang 14

Hình 1.4: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu

Ưu điểm của mạch điều chỉnh dòng điện dùng mạch trễ là đáp ứng quá độ nhanh, thực hiện dễ dàng và chi phí thấp

Nhưng có một số nhược điểm là:

- Độ nhấp nhô dòng điện ở trạng thái xác lập lớn

- Tần số chuyển mạch không cố định

- Điện áp ra có chứa các hài với tần số không phải là bội của tần số cơ bản

1.2.2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma

Nguyên lý điều khiển: Kỹ thuật điều khiển này trong khá giống với kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu nhưng quy luật hoạt động của nó thì khác Tín hiệu sai số được dò ra bởi các bộ so sánh, các ngõ ra của bộ so sánh có được các mẫu ở tỷ lệ cố định

để trạng thái của bộ chỉnh lưu giữ ổn định trong mỗi khoảng thời gian lấy mẫu Vì vậy, trong suốt khoảng thời gian không có có xung lấy mẫu thì không có PWM nào được thực hiện, chỉ có các vectơ cơ bản có thể được tạo ra bởi bộ chuyển đổi trong một thời gian cố định

Hình 1.5: Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma

Trang 15

Hình 1.6: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế Delta-sigma

Từ hình 1.6 ta thấy:

Tại xung nhịp (n-1), ia > i*a nên ngõ ra của bộ điều chế ở mức thấp

Tại xung nhịp n, ia = i*a nên ngõ ra của bộ điều chế vẫn giữ mức thấp trong suốt chu kỳ xung nhịp

Tại xung nhịp (n-1), ia < i*a nên ngõ ra của bộ điều chế chuyển trạng thái sang mức cao trong suốt chu kỳ lấy mẫu xung nhịp

Hoạt động theo kỹ thuật điều chế này đem lại một sự rời rạc điện áp ở ngõ ra của

bộ chỉnh lưu, khác với sự thay đổi liên tục của điện áp ngõ/ra vốn là nét đặc trưng cụ thể của PWM

1.2.3 Kỹ thuật điều chế sóng mang (CPWM)

- Nguyên lý điều khiển: Để điều khiển hai IGBT trên một nhánh ta thực hiện theo qui tắc kích đối nghịch: T1 + T2 = 1

Hình 1.7: Sơ đồ của kỹ thuật điều chế CPWM

Trang 16

Hình 1.8: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế CPWM

- Khi điện áp điều khiển (uđk) là hàm sin thì được gọi là kỹ thuật điều chế Sine Pulse Width Modulation (SPWM)

Hình 1.9: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế SPWM

Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một nhánh, ta sử dụng sóng mang (dạng tam giác) và tín hiệu điều khiển (dạng sin) Đối với bộ chỉnh lưu n bậc

đỉnh – đỉnh Ac Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có biên độ đỉnh – đỉnh Am, tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng được sóng mang đó điều khiển sẽ được kích dẫn Trường hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang nào đó thì linh kiện đó sẽ bị kích ngắt

Các sóng mang dạng tam giác có tần số cao (fc < 10kHz) cho các bộ chỉnh lưu đa bậc có thể là một sóng mang chuẩn hay nhiều sóng mang và được chia thành ba loại sau:

Trang 17

a/ Bố trí cùng pha (PD: In Phase Dispostion): tất cả các loại sóng mang đều cùng pha nhau:

Hình 1.10: Sóng mang dạng PD b/ Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dịch 180o – gọi là sóng APOD (Alternative Phase Opposition Disposition):

Hình 1.11: Sóng mang dạng APOD

c/ Bố trí đối xứng qua trục Zero – gọi là sóng POD (Phase Opposition Disposition): Tất cả các sóng mang trên trục 0 sẽ cùng pha nhau và các sóng mang nằm dưới trục 0 sẽ

bị dịch đi 180o

Trang 18

Hình 1.12: Sóng mang dạng POD

Trong các phần mô phỏng và thực nghiệm sau, ta chỉ sử dụng phương pháp một sóng mang chuẩn đã tích sẳn trong DSP TMS320F28335

1.3 Cấu trúc bộ nghịch lưu cascade

Hình 1.13: Cấu trúc mô hình thực nghiệm

Trang 19

Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển vòng kín bộ biến đổi công suất, cụ thể là biến tần cascade 5 bậc, phục vụ đào tạo cho đào tạo sau đại học, đồng thời thử nghiệm với công suất ở mức trung bình (đến 10kW)

Mô hình hệ thống biến tần 5 bậc cascade công suất đủ lớn để cấp điện cho động cơ không đồng bộ gồm có: card điều khiển phức hợp DSP, FPGA, mạch đo lường cảm biến, giải mã bộ phát xung

Nghiên cứu các chế độ điều khiển độ rộng xung đặc biệt của biến tần cascade phục

vụ điều khiển động cơ

Hình 1.14: Cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc

Hệ thống mạch công suất bao gồm bộ biến tần 3 pha cascade và động cơ không đồng bộ 3f

Mạch công suất mỗi pha có 02 bộ biến đổi AC/DC/AC mắc nối tiếp điện áp ngõ ra, tổng cộng có 6 bộ biến đổi AC/DC/AC Mỗi bộ AC/DC/AC gồm máy biến áp 3 f Y-D (hoặc Y-Y) chuyển áp 3f 380V 50Hz về mức thấp hơn Điện áp thứ cấp MBA được chỉnh lưu cầu 3f chuyển sang dạng một chiều, lọc trên tụ để làm nguồn cho nghịch lưu cầu H 1 pha Các nghịch lưu cầu H có thể trang bị loại module (1200V, 50A) Máy biến áp cấp nguồn của hai modul nghịch lưu trên mỗi pha được chọn cấu hình khác nhau Y-D và Y-Y

để giảm độ méo dạng nguồn AC ngõ vào Mạch lái cho các IGBT thuộc cầu H có thể

Hệ thống cảm biến đo lường phục vụ tiếp nhận tín hiệu điện áp trên 06 tụ điện một chiều và 03 cảm biến dòng điện 3 pha tải Để có thể điều khiển vận tốc động cơ, một cảm biến vận tốc được trang bị Để có thể xử lý điện áp chính xác trên tải trong điều kiện các

áp tụ dc thay đổi, có thể sử dụng cảm biến Hall hoặc đo qua điện trở shunt, tín hiệu đo cách ly, được xử lý điều chỉnh offset trước khi đưa về mạch AD của DSP

Mạch cảm biến dòng điện có thể sử dụng loại cảm biến Hall, có tính năng cách ly Đáp ứng ngõ ra cảm biến có thể xử lý trước khi đưa tín hiệu về cổng AD

Với DSP đề nghị sử dụng TMS320F28335 150MHz, có khả năng sử dụng 12 kênh tín hiệu PWM vừa đúng với cấu trúc mạch cascade 5 bậc, DSP này có 16 kênh thu thập

dữ liệu đo lường đưa vào cổng AD Với trường hợp cascade 5 bậc, hệ thống đo lường đầy

đủ sử dụng 6 cảm biến điện áp dc của các tụ nguồn cho các nghịch lưu cầu H, 03 cảm biến dòng điện Tổng cộng có 9 cảm biến và 1 cảm biến vận tốc động cơ

1.4 Các tính toán cho bộ nghịch lưu

Mô hình bao gồm chủ yếu các thiết bị sau:

- Một biến áp 220/380 với nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau 78V, 116V, 156V, 178V và một variac 220 V Dùng cấp nguồn cho sử dụng một nguồn DC cho

hệ thống

- 4 Tụ điện DC 1800uF, 450V

- Điện trở công suất 200W, 2 kΩ dùng để xả điện tích trên tụ

- 2 bộ cầu diode SEMIKRON 3 pha

- 6 cầu chì được mắc nối tiếp với các bus cấp nguồn nhằm bảo vệ mạch công suất khi xảy ra ngắn mạch hay gai áp

a) Mạch động lực

Trang 21

- Nguồn AC ba pha ngõ vào: Nguồn xoay chiều 3 phase được đấu vào máy biến

áp có các cuộn sơ cấp đấu , cuộn các cuộn thứ cấp đấy  (input: 380Vac, output: 178Vac tần số 50Hz ) để ổn định điện áp trước khi đưa vào cầu chỉnh lưu

Hình 1.15: Máy biến áp /Y

- Bộ chỉnh lưu: Sử dụng phương pháp chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển, trong

mô hình sử dụng cầu chỉnh lưu 6RI100G-160 của hãng Fuji electric được gắn cố định trên nhôm tản nhiệt

Hình 1.16: Cầu chỉnh lưu 6RI100G-160 và sơ đồ nguyên lý Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của bộ chỉnh lưu cầu 6RI100G-160

— 120 | —160

Trang 22

- Bộ lọc DC: Sử dụng hai tụ lọc đấu nối tiếp có điểm giữa để đấu Diode kẹp cho bộ

nghịch lưu, trong mô hình thực nghiệm này sử dụng hai tụ có dung lượng 1800F, điện áp DC cực đại 450VDC

Hình 1.17: Tụ HCGFA 1800F-450VDC và sơ đồ đấu tụ

Hình 1.18: Hình ảnh bố trí các linh kiện mạch nguồn DC

- Bộ nghịch lưu dạng cascade : Gồm hệ thống 24 IGBT ghép theo dạng ba pha

cầu H Chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC với các giá trị tần số và điện áp như mong muốn Mỗi mạch gồm 12 IGBT được thiết kế trên một board riêng để thuận tiện trong việc sửa chữa thay thế Các IGBT được gắn nhôm tản nhiệt giúp giảm nhiệt nhanh và tăng hiệu suất của linh kiện Sử dụng linh kiện chủ yếu là

IGBT STGW40N120KD và Diode kẹp STTH3012

IGBT STGW40N120KD là linh kiện đóng ngắt đã được tính hợp sẵn 1 IGBT

và 1 diode công suất được mắc như hình 1.20

Trang 23

Hình 1.19: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT STGW40N120KD

Linh kiện đóng ngắt có chức năng như một khóa hai chiều, khi IGBT được kích dòng điện có thể chạy từ chân 1 đến chân 2 hoặc theo chiều ngược lại Đây là loại linh kiện công suất lớn, ở 25oC có thể chịu được dòng 80A và điện áp 1200V Xung kích được đưa vào chân GATE với các mức không vượt quá ±25V Theo thông số của nhà sản xuất đưa ra, STGW40N120KD có tầm hoạt động tối đa

là tmax = 100 oC, VCES = 1200 V, Ic = 40A, và thời gian từ tráng thái ngắt sang dẫn

là tf = 0.36 μs, từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt là tr = 0.144 μs, điện áp VCE (sat)

= 2.7V

Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật của IGBT STGW40N120KD

tSCW Short circuit withstand time, VCE = 0.5

IFSM Surge non repetitive forward current tp = 10 ms sinusoidal 100 A

Diode kẹp STTH3012:

Trong điều kiện hoạt động ở 175oC thì dòng qua diode tốt đa là 30A và điện

áp ngược đặt trên diode tối đa là 1200V Thời gian đáp ứng là 57ns

Trang 24

Hình 1.20: Hình dạng và sơ đồ chân của diode STTH3012 Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật của diode STTH3012

Mô hình thực nghiệm sẽ có mười hai module cầu H và mạch kích Để có thể thực nghiệm với dòng tải lớn đến 6,6KW/3 pha đồng thời điện áp hiệu dụng mỗi pha có thể đạt đến 220V với cosφ = 0.5 -1 thì mỗi khóa công suất IGBT phải chịu được dòng điện tải cực đại là:

220 3

( )2

Trang 25

Sơ đồ nguyên lý phần công suất bộ nghịch lưu cầu H

Hình 1.21: Mạch nguyên lý khối công suất cho một nhánh pha

Hình 1.22: Sơ đồ nối dây và ảnh thực tế board mạch IGBT

Trang 26

- Bộ tải: Sử dụng bộ tải tĩnh RL mắc nối tiếp dạng tải hở với 6 đầu dây, R = 8,

L=90mH Sơ đồ nguyên lý bộ tải thể hiện như hình sau:

Hình 1.23: Sơ đồ đấu dây bộ tải RL Tải động cơ không đồng bộ 3 pha

Hình 1.24 : Tải động cơ

Trang 27

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 2.1 Mạch điều khiển

xử lý liên hợp này cho phép nó thực hiện ở tốc độ cao mà không cần phải bộ nhớ tốc

độ cao đắt tiền

Hình 2.1: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 + Công nghệ CMOS tĩnh hiệu suất cao

- Đạt đến 150MHz (Thời gian quét chu trình 6.67 ns)

- Thiết kế điện áp lõi 1.9V/1.8V, I/O 3.3V

+ CPU 32 bit hiệu suất cao

- Theo tiêu chuẩn IEEE-750 độ chính xác

- Điều khiển vận hành 16x16 và 32x32 bit

- Điều khiển vận hành kép 16x16 bit

- Cấu trúc Harvard bus

Trang 28

- Đáp ứng và xử lý ngắt nhanh

- Kiểu bộ nhớ chương trình thống nhất

- Tương kích mã chương trình C/C++ và Assembly

+ Bộ điều khiển DMA sáu kênh (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM) + Giao diện bên ngoài 16 bit hoặc 32 bit (XINTIF)

- Hơn 2Mx16 miền địa chỉ

- Bảng tính toán tiêu chuẩn

+ GPIO0 đến GPIO63 (General-Purpose IO) chân có thể kết nối đến 1 trong 8 ngắt bên ngoài

+ Khóa ngắt ngoại vi mở rộng (PIE) chứa đựng tất cả 58 ngắt ngoại vi

+ 128 bit khóa an toàn

- Khóa bảo vệ Flash/OTP/RAM

- Ngăn cản việc ăn cắp chương trình

+ Nâng cao khả năng điều khiển ngoại vi

- Có đến 18 ngõ ra PWM

- Có đến 6 ngõ ra HRPWM với độ phân giải 150 ps

- Có đến 6 vào thu nạp sự kiện

- Có đến 2 giao diện mã hóa vuông góc

- Có 8 bộ đếm thời gian 32 bit, 16 bit

+ Ba bộ đếm thời gian CPU 32 bit

+ Port nối tiếp ngoại vi

- Có hai CAN modules

- Có 3 SCI (UART) modules

- 2 x 8 kênh bộ dồn kênh tín hiệu vào

- 2 lấy mẫu và giữ

- Bộ chuyển đổi đơn/đồng thơi

- Truy cập bên trong và bên ngoài

+ Có 88 chương trình đơn lẻ, dồn kênh GPIO Pins với bộ lọc tín hiệu vào + Hỗ trợ JTAG ranh giới quét

+ Các tính năng tiên tiến

- Chức năng phân tích và điểm chuyển tiếp

- Tìm và khắc phục lỗi phần cứng trong thời gian thực

- Chế độ hỗ trợ IDLE, STANDBY, HALT

- Đồng bộ quy trình vô hiệu hóa thiết bị ngoại vi đơn lẻ

+ Sơ đồ bố trí chân F28335:

Trang 30

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí 176 chân của F28335 + Khối chức năng của F28335

- Khối bộ nhớ thì không co giản

- Các sơ đồ bộ nhớ Peripheral Frame 0, Peripheral Frame 1, Peripheral Frame 2, and Peripheral Frame 3 chỉ giới hạn là bộ nhớ dữ liệu Một chương trình người dùng không thể truy cập vào sơ đồ bộ nhớ này trong không gian chương trình

- Phạm vi bộ nhớ nhất định được EALLOW bảo vệ chống lại nhiễu sau khi cấu hình ghi

- Địa chỉ từ 0x38 0080-0x38 0088 chứa đoạn chương trình kiểm tra kích thước ADC

- Nếu eCAN không được sử dụng trong một ứng dụng, RAM sẵn có (LAM, MOTS, MOTO, and mailbox RAM) có thể được sử dụng như RAM đa năng Module phát xung CAN cho phép làm điều này

Trang 31

Hình 2.3: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335

Sơ đồ nguyên lý mạch DSP

có tốc độ đóng ngắt nhanh, các thời gian đóng ngắt tf và trr chưa đáp ứng kịp dẫn đến sự trùng dẫn trong đóng ngắt các khóa IGBT Để chống hiện tượng này ta tạo một mạch deadtime cho mạch điều khiển chờ cho opto này ngắt hoàn toàn rồi thì mới cho opto kia dẫn Nếu chọn deadtime quá lớn gây ra mấy xung hay sai lệch độ rộng xung kích cho IGBT Trên thực tế ta chọn deadtime là khoảng 2-4 μs sẽ tránh được hai hiện tượng trên

Mạch kích IGBT

+ 74LS245 mạch đệm mức logic 3v – 5v

Trang 34

+ 74HC14 cổng đảo logic

+ DZ2 - R150 và C103 tạo deadtime 2e-6s

+ TLP250 opto cách ly AC

+ R10 – 2W điện trở kích gate cho IGBT

Hình 2.8: Mạch kích IGBT cho 1 nhánh pha

Hình 2.9: Sơ đồ bố trí linh kiện cho mạch kích

Absolute Maximum Ratings

SEMIDRIVER™

Trang 36

Visol IO Isolation test voltage input - output (2 sec

Characteristics

Hình 2.12: Board mạch lái SKHI21

Trang 39

Hình 2.16: Mạch cảm biến dòng sử dụng ACS712 Khi sử dụng cảm biến ACS 712 đo lường dòng xoay chiều chiều để lấy tín hiệu đưa vào vi xử lý điều chúng ta quan tâm là làm cách nào để cộng thêm một giá trị điện áp offset vào mạch để điện áp ngõ ra không còn giá trị âm Mạch cảm biến dòng như hình 2.17 luôn có giá trị offset bằng ½ giá trị điện áp nguồn cấp cho ACS712

Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ACS712 Tuy mã ACS mà tầm đo cực đại của cảm biến sẽ khác nhau, ví dụ ACS712-05B, ACS712-20A sẽ có tầm đo cực đại là 5A, 20A tương ứng

Trang 40

2.3 Mạch hiển thị LCD

Hình 2.18: Mạch nguyên lý khối LCD + 74HC245 mạch đệm mức logic 3v – 5v

+ 74C922 giải mã bàn phím

Hình 2.19: Board LCD