THIẾT kế bộ NGHỊCH lưu áp một PHA

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 48VDC220VAC, CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA

48VDC/220VAC, CÔNG SUẤT 1KW

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM

Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY

Sinh viên thực hiện: Nhóm 1- 18N32C

Số thẻ sinh viên: ………

Nhóm HP / Lớp: 18N32C/ 18TDH1

Ngành: Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU 6

1.1 Giới thiệu về nghịch lưu: 6

1.2 Nghịch lưu áp: 6

1.2.1 Nghịch lưu áp một pha 7

1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha: 8

1.3 Nghịch lưu áp dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 11

1.4 Nghịch lưu dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter) 12

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 14

2.1 Phương pháp PWM 14

2.1.1 Khái niệm 14

2.1.2 Nguyên lý 14

2.1.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển 15

2.1.3.1 a Tạo bằng phương pháp so sánh 16

2.1.3.2 b Tạo xung vuông bằng phương pháp dùng IC dao động 17

2.1.3.3 c Tạo xung vuông bằng phần mềm 17

2.2 Phương pháp SPWM 18

2.2.1 Khái niệm 18

2.2.2 Nguyên lí 18

2.2.2.1 a SinPWM lưỡng cực 18

2.2.2.2 b SinPWM một cực tính 19

2.2.3 Các thông số của phương pháp SPWM 20

2.3 KẾT LUẬN 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH LỌC VÀ CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ 21

3.1 Phân tích số liệu và tổng quan của bộ nghịch lưu 21

3.2 Tính toán mạch tăng áp (DC-DC) 21

3.2.1 Cấu tạo 21

3.2.2 Nguyên lí 22

3.2.3 Tính toán, chọn linh kiện 22

3.3 Tính toán mạch buck 23

3.3.1 Nguyên lí 23

3.3.2 Tính toán, chọn linh kiện 24

3.4 Tính toán mạch nghịch lưu 25

3.5 Tính toán mạch lọc 26

3.6 Chọn thiết bị bảo vệ 27

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 29

4.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lưu (SinPWM) 29

4.1.1 Sơ đồ khối 29

4.1.2 Mạch dao động cầu Wien 29

4.1.3 Mạch tạo xung vuông 31

4.1.4 Mạch tạo xung tam giác 32

4.1.5 Khâu so sánh 33

4.2 Mạch điều khiển PWM 33

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 35

5.1 Mô phỏng mạch điều khiển 35

5.1.1 Mạch điều khiển PWM 35

5.1.2 Mạch điều khiển SPWM 35

5.2.1 Mạch tăng áp DC-DC 38

5.2.2 Mạch nghịch lưu 38

DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha 7

Hình 1 2 Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu áp 1 pha 8

Hình 1 3 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha 9

Hình 1 4 Dạng điện áp trên tải 10

Hình 1 5 Sơ đồ mạch nghịch lưu dùng diode kẹp 11

Hình 1 6 Bảng trạng thái đóng cắt của các van 12

Hình 1 7 Dạng điện áp ra của cấu trúc NPC Inverter 12

Hình 1 8 Sơ đồ 1 pha của cấu trúc nối tầng cầu H 5 bậc 13

Hình 2 1 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt 14

Hình 2 2 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt 15

Hình 2 3 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra 15

Hình 2 4 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 16

Hình 2 5 Mạch tạo xung đơn giản dung 555 17

Hình 2 6 Dạng sóng SinPWM hai cực tính cực, phổ sóng hài 18

Hình 2 7 Dạng sóng SinPWM một cực tính, phổ sóng hài 19

Hình 3 1 Sơ đồ mạch tăng áp 21

Hình 3 2 Sơ đồ dòng chạy giải thích nguyên lý 22

Hình 3 3 Đường đặc tính dòng trong cuộn cảm 24

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lí mạch buck 24

Hình 3 5 Bộ lọc tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp 26

Hình 4 1 Sơ đồ khối mạch điều chế SinPWM 29

Hình 4 2 Sơ đồ cầu Wien và Hệ thống hồi tiếp RC 29

Hình 4 3 Sơ đồ nguyên lý tạo xung vuông 31

Hình 4 4 Sơ đồ nguyên lí tạo xung tam giác 32

Hình 4 5 Sơ đồ mạch so sánh 33

Hình 4 6 Sơ đồ nguyên lí tạo xung vuông dùng IC555 33

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU

1.1 Giới thiệu về nghịch lưu:

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách đấu nối đầu vào và đầu ra một cách chu kỳ tạo nên đầu ra xoay chiều Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại:

- Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều

- Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều

Trong giới hạn đề tài đồ án, chúng em sẽ nghiên cứu về mạch nghịch lưu áp Điện

áp ra của bộ nghịch lưu áp tạo nên mọt sóng trong nửa chu kỳ gọi là bộ nghịch lưu điều khiển toàn sóng Do sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp điều khiển, người ta thường sử dụng biện pháp điều khiển độ rộng xung PWM ở mỗi nửa chu kỳ được tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích hợp, nhờ đó dễ dàng lọc điện áp ra

Vì thề để nghiên cứu thường bắt đầu với nghiên cứu với sự làm việc với điều khiển toàn sóng và làm cơ sở so sánh với sự làm việc với điều khiển độ rộng xung

1.2 Nghịch lưu áp:

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý, được sử dụng nhiều trong thực tế Điện áp ra của nghịch lưu có thể điều chế theo nhiều phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao

Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển còn nhỏ, hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng thyristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp

Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp chúng em

sử dụng van điều khiển hoàn toàn

1.2.1 Nghịch lưu áp một pha

a Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ nghịch lưu một pha được mô tả như hình vẽ, sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng

về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C được mắc song song với nguồn có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và

dự trữ năng lượng dưới dạng điện trường

- Zt: Phụ tải

- Is: Dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa:

Khi Is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải ( các thysistor dẫn dòng )

Khi Is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi ( các diode dẫn dòng )

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha

0 và T2 và T4 sẽ mở lại, I >0 chạy theo chiều A đến B Dòng tải I biến thiên theo quy

luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im

c Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch:

Hình 1 2 Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu áp 1 pha

1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha:

Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính

Để đơn giản hóa việc tính toán, ta giả thiết như sau:

- Các van là lý tưởng, nguồn có nội trở vô cùng nhỏ và dẫn dòng theo 2 chiều

- Các van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6, Za = Zb = Zc

Các diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ

C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiệp nhận năng lượng phản kháng từ tải

Hình 1 3 Sơ đồ nghịch lưu áp 3 pha

=>Đểtạora điệnáp 3 pha đốixứng, luậtdẫn điện củacác van phải tuân theo:

- T1và T4 dẫn lệch nhau 180 độ và tạo ra pha A

- T2 và T5 dẫnlệch nhau 180ovà tạo ra pha C

- T3 và T6 lệch nhau 180 độ tạo ra pha B

=> Các pha lệch nhau 120 độ

+ Dạng điện áp ra trên tải được xác định như sau:

* Trong khoảng 0 đến t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.4a Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3

* Trong khoảng t1 đến t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.4b

Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3

* Trong khoảng từ t2 đến t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như hình 1.4c Từ sơ đồ thay thế ta thấy Uza = E/3

Hình 1 4 Dạng điện áp trên tải

1.3 Nghịch lưu áp dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Bộ nghịch lưu đa bậc dạng Diode kẹp có mạch nguồn DC được phân nhỏ thành các cấp nhờ các tụ điện mắc nối tiếp Mạch nguồn DC có n tụ mắc nối tiếp thì ta sẽ có bộ nghịch lưu (n+1) bậc

Nguyên tắc kích đóng của phương pháp này là ta mở tất cả các van kẹp trong 2 Diode để được các cấp điện áp mong muốn

Hình 1 6 Bảng trạng thái đóng cắt của các van

Hình 1 7 Dạng điện áp ra của cấu trúc NPC Inverter

1.4 Nghịch lưu dạng nối tầng cầu H (Cascade Multillevel H-Bridge Inverter)

Cascade Inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu H một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu H này có các nguồn DC riêng như : acquy, pin mặt trời,…Giá trị các nguồn DC này có thể bằng nhau hoặc không bằng nhau

Với n bộ cầu H trên mỗi pha ta sẽ tạo ra được bộ nghịch lưu (2n+1) bậc

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần

và dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần, cho phép sử dụng van bán dẫn điện áp thấp

Quy luật kích đóng các van trên một pha phải thỏa mãn 2 van trên cùng một nhánh không được kích đóng hoặc ngắt đồng thời

Ví dụ: Trong sơ đồ nghịch lưu nối tầng cầu H 1 pha 5 mức như bên dưới thì:

S1x và S4x không được đóng ngắt đồng thời (x - là các pha A, B, C)

Điện áp ra trên mỗi pha là: Vout =Vdc1+Vdc2=2Vdc

Hình 1 8 Sơ đồ 1 pha của cấu trúc nối tầng cầu H 5 bậc

- Bảng trạng thái đóng cắt các van và điện áp đầu ra:

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT

PWM dùng để điều khiển động cơ, điều khiển ổn định tốc độ động cơ PWM nó

còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là: boost, buck, nghịch lưu 1 pha và 3

pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển

Ưu điểm là điều chỉnh được điện áp ra và hạn chế tối đa các sóng hài bậc cao xuất

hiện ở tải

Nhược điểm PWM lại yêu cầu van bán dẫn phải có tần số đóng cắt lớn

2.1.2 Nguyên lý

Phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và một cách

có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằng Mosfet

Hình 2 1 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt

Hình 2 2 Hình biểu diễn hoạt động đóng cắt

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Nguyên lý: Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn

Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

Umax.D

= hay Ud

(V) T

to Umax.

= Ud

=>

(với D = to /T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % )

Hình 2 3 Đồ thị xung của van điều khiển và đầu ra

2.1.3 Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng và bằng phần mềm

Bằng phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

2.1.3.1 a Tạo bằng phương pháp so sánh

Thường sử dụng opamp để so sánh giữa 2 tín hiệu

+ Tín hiệu răng cưa (xung tam giác): dùng để xác định tần số của PWM (cũng là tần số của xung ra )

+ Tín hiệu tựa: là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (tín hiệu DC)

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref)

+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Umax

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng

D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw

Hình 2 4 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

2.1.3.2 b Tạo xung vuông bằng phương pháp dùng IC dao động

Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông

mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi

và ta chỉ việc lắp vào là xong ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại

dễ kiếm

Hình 2 5 Mạch tạo xung đơn giản dung 555

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác

2.1.3.3 c Tạo xung vuông bằng phần mềm

Đây là cách tôi ưu trong các cách để tạo được xung vuông Với tạo bằng phần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU

2.2 Phương pháp SPWM

2.2.1 Khái niệm

Phương pháp SinPWM (SPWM) dùng để tạo ra một điện áp xoay chiều, phương

pháp này sử dụng tín hiệu xung tam giác tần số cao (hay còn gọi là sóng mang) đem so sánh với tín hiệu sin chuẩn có tần số f cùng với tần số ra của bộ nghịch lưu

Nếu xung điều khiển cấp cho một bộ nghịch lưu một pha thì ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp, tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu đối với sóng mang Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu

2.2.2 Nguyên lí

Xét với mạch nghịch lưu áp một pha cầu sử dụng 4 van ta có hai dạng SinPWM như sau:

2.2.2.1 a SinPWM lưỡng cực

Nguyên lí của phương pháp này tuân theo nguyên tắc chung của phương pháp SinPWM những điểm cắt nhau của hai xung dùng để so sánh là điểm chuyển đổi trạng thái của 2 cặp van vì vậy dạng điện áp ra sẽ là hai xung chữ nhật với 2 mức điện áp

là E và –E biến thiên theo quy luật của sóng điều chế hình sin (sóng điều khiển)

Khi điện áp đầu ra sau mỗi lần đóng cắt luôn tồn tại ở hai dấu –E,E nên được gọi là điều chế hai cực tính

2.2.2.2 b SinPWM một cực tính

Để điều chế một cực tính cũng có nhiều cách ở đây hai van của một cặp không đóng ngắt đồng thời mà lại đổi nhau, thời điểm chuyển đổi trạng thái giữa hai nhóm cũng khác nhau nhưng vẫn dựa theo nguyên tắc của phương pháp SinPWM Cụ thể ta có thể so sánh giữa hai hình sin ngược pha và một xung tam giác cao tần hoặc một cách khác ta có thể dùng một sóng sin còn xung tam giác được dịch chuyển để luôn cùng dấu với sóng sin

2.2.3 Các thông số của phương pháp SPWM

Trong phương pháp này ta quan tâm đến 2 hệ số chính

 Hệ số biên độ: ma=𝑈𝑚𝑑𝑐

𝑈𝑚𝑐= 𝑈𝑠𝑖𝑛

𝑈𝑡𝑎𝑚𝑔𝑖𝑎𝑐 là tỉ số giữa biên độ điện áp của sóng điều chế và sóng mang, bình thường thì ma <1 còn nếu ma >1 gọi là quá điều chế và nó giảm chất lượng điện áp ra

 Mặt khác, a AC

DC

U m U

 là tỉ số giữa biên độ điện áp sau nghịch lưu và biên

độ điện áp một chiều đầu vào

Phương pháp điều khiển PWM: Sử dụng IC 555, còn đối với phương pháp SPWM

ta sử dụng theo kiểu lưỡng cực với 1 kênh xung điều khiển cấp cho 2 cặp van được so sánh từ sóng hình sin mẫu với xung tam giác tần số cao