Phát triển một bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động điện xoay chiều ba pha báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Phát triển một bộ biến đổi

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Phát triển một bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng

gió và truyền động điện xoay chiều ba pha

Mã số đề tài: 182.Đ02

Chủ nhiệm đề tài: Phạm Công Duy

Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện

LỜI CÁM ƠN

Tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo Nhà trường, Phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác quốc tế, ban chủ nghiệm Khoa Công nghệ Điện của Đại Học Công nghiệp Tp.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô và Sinh Viên Khoa công Nghệ Điện của Đại Học Công nghiệp Tp.HCM đã đóng

góp những ý kiến quý báo cho tôi thực hiện đề tài này

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin tổng quát

1.1 Tên đề tài: Phát triển một bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và

truyền động điện xoay chiều ba pha

1.2 Mã số: 182.Đ02

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 TS Phạm Công Duy Khoa Công Nghệ Điện Chủ nhiệm

1.4 Đơn vị chủ trì:

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2019

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 12 năm 2018

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên

nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 75 triệu đồng

II Kết quả nghiên cứu

1 Đặt vấn đề

Hiện tại, nhiệt điện và thủy điện là hai nguồn năng lượng điện chủ yếu của Việt Nam Hai nguồn năng lượng này ẩn chứa những hiểm hoạ đối với các cộng đồng dân cư và ô nhiễm môi trường Để giảm những hiểm họa này, năng lượng tái tạo là một giải phát thay thế Nổi bật nhất của năng lượng tái tạo là phong điện hay điện gió được xem là nguồn điện sạch, ít gây ô nhiễm môi trường, thân thiện và hiền hoà đối với con người Mặc dù điện gió bắt đầu được thế giới để ý đến từ 25 năm trước, nhưng chỉ trong gần 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới khi sản lượng điện gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ 28%/năm, cao nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có Sự phát triển thần kỳ này của điện gió có được là nhờ vào sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất và giải thuật điều khiển nâng cao Một lý do quan trọng nữa giải thích sự phát triển đột biến của điện gió trong 10 năm trở lại đây là nguy cơ khủng hoảng năng lượng của các nước đã phát triển cũng như mối quan tâm ngày càng cao của các nước này về bảo vệ môi trường, điều này đã tiếp thêm sức mạnh cho những nỗ lực tìm kiếm các dạng năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường

Việt Nam có tiềm năng điện gió khá dồi dào, lĩnh vực này cũng được các nhà đầu tư trong và ngoài nước rất quan tâm Nếu chúng ta khai thác hết tiềm năng này, tổng công suất điện gió có thể gấp 20 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam Ngay trong quy hoạch điện, điện gió cũng là lĩnh vực được ưu tiên phát triển với mục tiêu: “Ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng

lượng này lên mức 4,5% vào năm 2020 và 6% vào năm 2030” Trong đó, đưa tổng công suất nguồn điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên 1.000 MW vào năm 2020, khoảng 6.200 MW vào năm 2030

Hiện nay nhu cầu phát điện chạy sức gió ở Việt Nam ngày càng trở nên có tính thực tiễn cao, bởi nguồn tài nguyên than phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện ngày càng cạn kiệt, thủy điện cũng gần khai thác hết công suất của nguồn nước trên các con sông Việt Nam Ngoài ra nguồn năng lượng mặt trời vẫn ở giai đoạn nghiên cứu và mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, trong khi đó sức gió ở Việt Nam vẫn chưa được khai thác nhiều

Trong một hệ thống năng lượng gió, bộ biến đổi điện năng hay được gọi là bộ biến đổi công suất (năng lượng gió chuyển thành điện năng) phát cho lưới điện là rất quan trọng Bộ biến đổi công suất này là thiết bị có chức năng biến đổi tần số và điện áp của nguồn xoay chiều có tần số thay đổi theo tốc độ gió thành nguồn điện xoay chiều có tần số bằng với lưới điện

Truyền động điện đặc biệt là truyền động điện xoay chiều ba pha được ứng dụng trong lĩnh vực robot, CNC Vì vậy, năng lượng tái tạo và truyền động điện góp phần thành công của nền công nghiệp lần thứ 4

Từ yêu cầu thực tiễn, Bộ Công Thương khuyến khích các doanh nghiệp tham gia đầu tư vào năng lượng tái vào và truyền động điện

Dựa vào tầm nhìn, sứ mạng và mục tiêu của Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM trong đó tầm nhìn: trở thành trường ĐH trọng điểm quốc gia…, nằm trong nhóm 10 trường

ĐH hàng đầu của VN theo hướng ứng dụng, sứ mạng: cung cấp nguồn nhân lực có trình độ chuyên môn cao, có kỹ năng nghề nghiệp tiếp cận với thực tiễn…, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ… và mục tiêu: …điều kiện đáp ứng yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đóng góp cho xã hội, tạo ra giá trị thực tiễn và hiệu quả từ hoạt động nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ, hợp tác quốc tế Hiện tại, Khoa Công Nghệ Điện chưa có thiết bị dạy môn học truyền động điện và năng lượng tái tạo

Tổng kết lại, từ yêu cầu thực tế của đất nước, tầm nhìn, sứ mạng và mục tiêu của Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM và những khó khăn của Khoa Công Nghệ Điện, nhóm thực hiện

đề tài đề xuất một giải pháp để giải quyết một phần khó khăn của Khoa Công Nghệ Điện cho môn học năng lượng tái tạo và truyền động điện là thiết kế và chế tạo một bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động điện xoay chiều Giải pháp đề xuất tiếp cận công nghệ của Hoa Kỳ (LabVIEW FPGA hoặc DSP) từ đó làm chủ công nghệ và cải tiến sản phẩm cho ứng dụng các loại máy điện xoay chiều công nghiệp 3 pha điện áp 220V

Tài liệu tham khảo

[1] B Wu, Y Lang, N Zargari, and S Kouro ‘Power conversion and control of wind energy systems’, Wiley & IEEE Press, 2011

[2] L Pao and K Johnson, “Control of wind turbines,” IEEE Control Syst., vol 31, no 2,

pp 44–62, Apr 2011

[3] A Z Mohamed, M N Eskander, and F A Ghali, “Fuzzy logic control based

maximum power tracking of a wind energy system,” Renew Energy, vol 23, no 2,

pp 235–245, Jun 2001

[4] K Johnson, L Pao, M Balas, and L Fingersh, “Control of variable speed wind

turbines: Standard and adaptive techniques for maximizing energy capture,” IEEE

Control Syst., vol 26, no 3, pp 70–81, Jun 2006

[5] M Chinchilla, S Arnaltes, and J Burgos, “Control of permanent-magnet generators

applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid,” IEEE Trans

Energy Conv., vol 21, no 1, pp 130–135, Mar 2006

[6] F Valenciaga and P Puleston, “High-order sliding control for a wind energy

conversion system based on a permanent magnet synchronous generator,” IEEE

Trans Energy Conv., vol 23, no 3, pp 860–867, Sep 2008

[7] B Beltran, T Ahmed-Ali, and M Benbouzid, “High-order sliding-mode control of

variable-speed wind turbines,” IEEE Trans Ind Electron., vol 56, no 9, pp 3314–

3321, Sep 2009

[8] W Qiao, L Qu, and R Harley, “Control of IPM synchronous generator for maximum

wind power generation considering magnetic saturation,” IEEE Trans Ind Appl., vol

[10] M L Corradini, G Ippoliti, and G Orlando, “Robust control of variable speed wind

turbines based on an aerodynamic torque observer,” IEEE Trans Control Syst

Technol., vol 21, no 4, pp 1199–1206, Jul 2013

[11] Yuan, L., Chen, M., Shen, J., Xiao, J., “Current harmonics elimination control method

for six-phase PM synchronous motor drives” ISA Transactions, Elsevier ISA

Transactions., vol 59, pp 443-449, 2015

[12] L F A Pereira and A S Bazanella, “Tuning rules for proportional resonant

controllers,” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 23, no 5, pp 2010–2017, Sep

2015

[13] A Bazanella, L Pereira, and A Parraga, “A new method for PID tuning including

plants without ultimate frequency,” IEEE Trans Control Syst Technol., vol 25, no 2,

www.semikron.com/about-semikron/news-press/detail/semikron-granted-backing-for-[18] Austin Hughes, Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications, 3th Edition, Elsevier Press, 2006

[19] M Godoy Simões, Felix A Farret, Modeling and Analysis with Induction Generators, 3rd Edition, CRC Press, 2014

[20] Sang-Hoon Kim, Electric Motor Control: DC, AC, and BLDC Motors, Elsevier Press,

2017

2 Mục tiêu

2.1 Mục tiêu tổng quát: Làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động xoay chiều ba pha

2.2 Mục tiêu cụ thể: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bộ bộ biến đổi công suất

Điều khiển tốc độ máy điện xoay chiều 3 pha (đồng bộ hay không đồng bộ) như bộ turbine gió Điều khiển tốc độ (hay tần số) hai máy điện xoay chiều 3 pha (đồng bộ hay không đồng

bộ) chạy song song

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu mô phỏng

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Hình 4.1 Sơ đồ khối công suất

(a) Lớp trên

(b) Lớp dưới Hình 4.2 Board mạch hai lớp

(a) Lớp trên

(b) Lớp dưới Hình 4.3 Board mạch với lớp trên và lớp dưới

Hình 4.4 Mạch thực tế sau khi hàn

Vận hành thử nghiệm và kiểm tra kết quả cho ứng dụng năng lượng gió

U Hình 4.5 Điện áp dây của biến tần tại tần số đóng cắt 1kHz

Hình 4.6 Điện áp dây của biến tần tại tần số đóng cắt 5kH

Vận hành thử nghiệm và kiểm tra kết quả cho ứng dụng truyền động điện

Hình 4.7 Điện áp dây của biến tần 1 tại tần số đóng cắt 20kHz

Hình 4.8 Điện áp dây của biến tần 2 tại tần số đóng cắt 20kHz

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Các kết quả đáp ứng mục tiêu đã đặt ra như làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động xoay chiều ba pha và điều khiển tốc độ máy điện xoay chiều 3 pha (đồng bộ hay không đồng bộ) như bộ turbine gió Điều khiển tốc độ (hay tần số) hai máy điện xoay chiều 3 pha (đồng bộ hay không đồng bộ) chạy song song Các kết quả này là cơ sở nền tảng cho ứng dụng điện tử công suất và truyền động

xoay chiều ba pha trong giáo dục và công nghiệp

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đề tài nghiên cứu các phương pháp điều khiển dòng điện stator cực d cho máy phát gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu Kết quả mô phỏng chỉ ra phương pháp điều khiển từ thông stator hằng số đạt được giảm giá và đáp ứng tốt cho hệ thống điều khiển máy phát gió này

Đề tài cũng đề xuất một giải pháp phần cứng cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động xoay chiều ba pha phù hợp trong trường đại học để giảng dạy và nghiên cứu Kết quả thực nghiệm chỉ ra giải pháp đề xuất tốt Giải pháp phần cứng là cơ sở nền tảng cho nghiên cứu các phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều

The work studies d-axis stator current control methods applied to permanent magnet synchronous generator-based wind energy systems The simulink results show that the constant stator fluxlinkage control method can be obtained low cost and good characteristics The work also proposes a hardware solution to applied to wind power and ac drives which applied to study and research at Industrial University of Ho Chi Minh City The solution has designed and tested Experiments show the hardware very good The hardware is a promising platform for ac electrical machine drives control

III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1 Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

1 Biến đổi công suất cho ứng

dụng năng lượng gió và

truyền động xoay chiều

- Mạch in 2 lớp

- Nguồn điện một chiều 50-300VDC

- Nguồn điện xoay chiều một pha 220V, 50Hz

- Công suất của bộ biến đổi công suất

- Công suất của bộ biến đổi công suất 750 W, điện áp ngõ ra 220V,

tần số 50 Hz

2 Bản vẽ thiết kế bộ biến đổi

công suất cho ứng dụng

năng lượng gió và truyền

động xoay chiều

Mạch in hai lớp Mạch in hai lớp

3 Hai chương trình máy tính Dễ đọc và dễ viết cho

phát triển các giải thuật điều khiển chuyển

động khác nhau

Dễ đọc và dễ viết cho phát triển các giải thuật điều khiển chuyển động

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2 Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian thực hiện đề tài

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV Tình hình sử dụng kinh phí

T

Kinh phí được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí thực hiện

(triệu đồng)

Ghi chú

A Chi phí trực tiếp

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con

V Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Đề tài đã phát triển bộ công suất cho ứng dụng trong năng lượng gió và truyền động điện xoay chiều Nghiên cứu các giải thuật điều khiển nâng cao cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động điện Nghiên cứu giải pháp IoT kết hợp với điều khiển máy phát năng lượng gió và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

VI Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Tp HCM, ngày tháng năm

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)

PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)

1 Thiết kế bộ biến đổi công suất cho ứng dụng năng lượng gió và truyền động điện

Mạch công suất được thiết kế gồm có các khối chức năng chính: khối giao tiếp với MCU và khối bảo vệ Tuy nhiên, trong thiết kế này, module còn tích hợp thêm khối nguồn cung cấp

và khối hồi tiếp giám sát để cho người điều khiển có thể giám sát công việc thuận tiện và chính xác hơn

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo thực tế của module

a) PS21765

PS21765 là dòng IPM được phát triển để cung cấp một kích thước nhỏ và mức tiêu thụ điện năng thấp với độ tin cậy được cải thiện Module này sử dụng một mạch tích hợp điện áp cao (HVIC) và transistor lưỡng cực điều khiển cách ly (IGBT) của công nghệ silic tiên tiến PS21765 đạt được kích thước bảng mạch và độ tin cậy được cải thiện so với các giải pháp rời rạc hiện có Các ứng dụng chính là điều khiển động cơ cho các động cơ công suất thấp, chẳng hạn như máy giặt, máy điều hòa không khí, tủ lạnh

MODULE

Khối

giao tiếp

Khối bảo vệ

giám sát

Hình 1.2 Sơ đồ khối chính của PS21765 HVIC tốc độ cao chỉ yêu cầu một nguồn cung cấp duy nhất và chuyển đổi các đầu vào cổng logic thấp cấp đến các tín hiệu truyền động cao áp, tín hiệu điều khiển dòng điện cao được yêu cầu để điều khiển riêng biệt module IGBT khi xảy ra ngắn mạch

Chức năng cảm biến nhiệt độ được thực hiện trong IC điều khiển để nâng cao độ tin cậy của hệ thống Một điện áp tương tự tỷ lệ thuận với nhiệt độ của IC điều khiển được cung cấp để giám sát nhiệt độ module và các biện pháp bảo vệ cần thiết đối với các tình huống quá nhiệt Hầu hết mọi người muốn biết nhiệt độ chính xác của các chip năng lượng vì nhiệt

độ ảnh hưởng đến chất lượng, độ tin cậy và tuổi thọ của sản phẩm Mọi người đã sử dụng một thermistor NTC bên ngoài để cảm nhận nhiệt độ của module hoặc tản nhiệt Phương pháp này không phản ánh chính xác nhiệt độ của các thành phần năng lượng do sai số, nhưng rất đơn giản Chức năng cảm biến nhiệt độ của PS21765 cung cấp phản ánh chính xác hơn nhiệt độ của các chip năng lượng

Hình 1.3 PS21765

Ngoài ra PS21765 còn cung cấp các tính năng bảo vệ trên module bao gồm khóa giảm áp, ngắt quá dòng, quá nhiệt và báo lỗi

 Đặc tính linh kiện:

- Chức năng điện tích hợp: 600V, 20A, module IGBT cho bộ chuyển đổi nguồn DC/AC 3 pha

- Chức năng kiểm soát hệ thống, bảo vệ và điều khiển tích hợp:

+ Đối với thành phần IGBT mức cao:

 Mạch điều khiển van

 Phần điều khiển tần số cao được cô lập với phần điện áp cao

 Bảo vệ khóa giảm áp cho mạch nguồn điều khiển (UVLO)

+ Đối với thành phần IGBT mức thấp:

 Mạch điều khiển van

 Bảo vệ ngắn mạch (SCP)

 Bảo vệ khóa giảm áp cho mạch nguồn điều khiển (UVLO)

+ Tín hiệu Fault: tác động với UVLO (IGBT mức thấp) và lỗi ngắn mạch

 Định nghĩa các chân:

Bảng 1.1 Mô tả các chân linh kiện PS21765

1 P Ngõ vào chân dương nguồn DC

2 U, VS(U) Ngõ ra pha U

3 V, VS(V) Ngõ ra pha V

4 W, VS(W) Ngõ ra pha W

5 NU Ngõ vào chân âm nguồn DC cho pha U

6 NV Ngõ vào chân âm nguồn DC cho pha V

7 NW Ngõ vào chân âm nguồn DC cho pha W

8 IN(UL) Tín hiệu vào cho mức thấp pha U

9 IN(UH) Tín hiệu vào cho mức cao pha U

10 IN(VL) Tín hiệu vào cho mức thấp pha V

11 IN(VH) Tín hiệu vào cho mức cao pha V

12 IN(WL) Tín hiệu vào cho mức thấp pha W

13 IN(WH) Tín hiệu vào cho mức cao pha W

14 VDD Điện áp phân cực chung cho IC và điều khiển IGBT

15 COM Nối đất cung cấp chung

16 CSC Tụ (Bộ lọc thông thấp) cho ngõ vào phát hiện ngắn mạch

Ngõ ra Fault, ngõ vào Shut-Down, ngõ ra nhiệt độ của IC điều khiển

18 VB(W) Điện áp phân cực mức cao cho điều khiển IGBT pha W

19 VB(V) Điện áp phân cực mức cao cho điều khiển IGBT pha V

20 VB(U) Điện áp phân cực mức cao cho điều khiển IGBT pha U

Mạch nội bộ tương đương

Hình 1.4 Sơ đồ khối bên trong chi tiết của PS21765

+ Thành phần công suất bao gồm 4 ngõ vào nguồn DC và 3 ngõ ra cho động cơ

b) Khối ghép với MCU

Mạch giao tiếp I/O với MCU

Đối với module sử dụng HVIC, chúng ta có thế kết nối trực tiếp 6 tín hiệu PWM từ MCU vào 6 chân IN(UH,VH,WH) và IN(UL,VL,WL) mà không cần sử dụng cách ly quang vì bên trong bộ HVIC đã tích hợp sẵn thành phần cách li Module này có logic ngõ vào là mức cao

nên đã được tích hợp sẵn điện trở kéo xuống (5kΩ) Vì vậy khi thiết kế, chúng ta không cần lắp thêm điện trở kéo xuống ở bên ngoài nữa

Khi sắp xếp PCB, cần thiết kế để đường tín hiệu có độ dài ngắn nhất nhằm hạn chế nhiễu Ngoài ra những xung nhiễu có độ rộng nhỏ sẽ được loại bỏ thông qua bộ lọc RC được lắp trên mỗi đường tín hiệu vào Ở đây khuyến cáo nên chọn R=100Ω, và C=1nF

Chân tín hiệu lỗi VF được nối với một điện trở kéo lên để thiết lập mức tích cực cao mặc định cho chân VF nên khi điều khiển cần sử dụng tín hiệu mức thấp để kích hoạt

Năng lượng cung cấp cho bộ HVIC được cung cấp từ một mạch nguồn Có nhiều cách để tạo mạch nguồn này Một trong số đó là phương pháp Bootstrap được mô tả dưới đây Phương pháp này có lợi thế là đơn giản và rẻ tiền

b) Mạch Bootstrap

Điện áp VBS, điện áp giữa VB (U, V, W) và VS (U, V, W), cung cấp nguồn cho HVIC trong FNB51560T1 Nguồn nằm trog khoảng 13V- 18.5V để đảm bảo HVIC có thể điều khiển hoàn toàn IGBT mức cao Bảo vệ khóa giảm áp cho VBS để đảm bảo rằng HVIC không điều khiển IGBT mức cao nếu điện áp VBS giảm xuống dưới một điện áp cụ thể Chức năng này ngăn cho IGBT hoạt động ở chế độ phân giải cao

Nguồn cung cấp VBS được tạo ra bởi sự kết hợp của một diode, điện trở Bên cạnh đó, phần nguồn này ta cần mắc thêm diode zener và một tụ lọc song song với tụ bootstrap để đảm bảo nguồn ổn định

Mạch bootstrap có nguyên lý hoạt động là: Khi các van IGBT mức thấp được kích

mở (ON), tụ bootstrap (C BS) được nạp điện tích thông qua diode bootstrap (DBS) và điện trở

bootstrap (RBS) Khi van IGBT mức thấp bị khóa lại (OFF), CBS phóng điện tích để kích mở

IGBT mức cao Như vậy, chỉ cần sử dụng một nguồn cung cấp 15VDC duy nhất cho PS21765

Lựa chọn giá trị tụ Bootstrap

Tụ Bootstrap có thể được tính bởi công thức:

leak BS

- ∆t: Độ rộng xung tối đa của IGBT mức cao

- ∆VBS: Điện áp xả cho phép của CBS

- Ileak: Dòng điện xả tối đa CBS

Thực tế, Ileak = 2mA được khuyến khích cho dòng PS21765 Bằng cách xem xét độ phân tán và độ ổn định, điện dung thường được chọn gấp 2 - 3 lần so với giá trị tính toán được CBS chỉ được sạc khi IGBT mức cao bị tắt và điện áp VS (U, V, W) được kéo xuống đất

Thời gian bật của IGBT mức thấp phải đủ để tụ điện CBS được nạp đầy đủ Điều này tạo ra thời gian hoạt động tối thiểu của IGBT ở mức thấp (hoặc thời gian trễ của IGBT ở mức cao)

 Tính CBS:

- Ileak = 2mA (khuyến khích sử sụng của nhà sản xuất)

- ∆VBS = 1V (giá trị yêu cầu)

- ∆t = 5ms

_min

10 10 1

leak BS

BS

C

V V

Gấp 2~3 lần giá trị min: 20~30µF chọn giá trị điện dung chuẩn từ 20~30µF

Lựa chọn giá trị điện trở Bootstrap

Một điện trở phải được thêm vào cùng với diode Bootstrap để hạn chế dòng khởi động lúc sạc CBS ban đầu Ngoài ra còn xác định thời gian để sạc tụ Bootstrap Nếu độ rộng xung tối thiểu ON của IGBT mức thấp hoặc chiều rộng xung tối thiểu OFF của IGBT mức cao là to, tụ điện Bootstrap phải được sạc để tăng một điện áp ΔV trong thời gian này Do

đó, giá trị của điện trở bootstrap có thể được tính bằng phương trình:

Lựa chọn giá trị diode Bootstrap

Khi IGBT mức cao, diode Bootstrap (DBS) chịu đựng toàn bộ điện áp bus Do đó khuyến nghị lựa chọn diode có điện áp lớn hơn hoặc bằng 600V Điều quan trọng là diode này nên được phục hồi nhanh (thời gian phục hồi <100 ns) để giảm thiểu lượng điện được đưa ngược trở lại từ tụ điện bootstrap vào nguồn cung cấp VDD

Ở đây ta chọn diode có giá trị:

VR = 600V (điện áp ngược)

tRR = 35ns (thời gian phục hồi)

Lựa chọn giá trị diode zener và tụ lọc

Ta cần chọn giá trị diode có điện áp > 15V ( điện áp cung cấp) để đảm bảo điện áp khi qua diode được ổn định Chọn diode zener có điện áp VZ = 24V

Đối với tụ lọc thì ta sử dụng tụ 104 (100nF) là đảm bảo

Bảo vệ thấp áp với IGBT mức thấp

IC điều khiển van IGBT có chức năng bảo vệ thấp áp (UVLO) để bảo vệ các IGBT mức thấp không hoạt động khi điện áp điều khiển cổng không đủ Biểu đồ thời gian cho bảo

vệ này được hiển thị trong Hình 4.5

Hình 1.5 Biểu đồ thể hiện chức năng bảo vệ thấp áp ở mức thấp Chú thích:

- B1: Điện áp nguồn điều khiển tăng: Sau khi điện áp tăng đến UVDDR, các mạch bắt đầu hoạt động

- B2: hoạt động bình thường: IGBT ON và có dòng điện

- B3: Phát hiện điện áp giảm (UVDDD)

- B4: IGBT OFF mặc dù tín hiệu ngõ vào vẫn còn

- B5: Tín hiệu ngõ ra Fault được kích

- B6: Thiết lập lại chế độ bảo vệ thấp áp (UVDDR)

- B7: Hoạt động bình thường: IGBT ON và có dòng tải

 Nguyên lý hoạt động:

Ban đầu mạch được cung cấp nguồn nhưng mạch chỉ bắt đầu hoạt động khi giá trị điện áp đạt tới điện áp đặt lại UVDDR (13.5V(max)) Trong quá trình hoạt động, nếu điện áp nguồn giảm tới mức điện áp phát hiện UVDDD (10V(min)) thì chế độ bảo vệ thấp sẽ tự thiết lập và làm tắt IGBT mặc dù tín hiệu ngõ vào vẫn còn Đồng thời tín hiệu lỗi ngõ ra sẽ được

tích cực và truyền tín hiệu cho người điều khiển Mạch chỉ được thiết lập lại khi điện áp nguồn (VDD) phục hồi đến giá trị UVDDR

Bảo vệ thấp áp với IGBT mức cao

IC điều khiển van có chức năng khóa giảm áp để bảo vệ IGBT mức cao không hoạt động khi điện áp điều khiển cổng không đủ Biểu đồ thời gian cho sự bảo vệ này được hiển thị trong Hình 4.9

Hình 1.6 Biểu đồ thể hiện chức năng bảo vệ khóa giảm áp ở mức cao Chú thích:

- C1: Điện áp nguồn điều khiển tăng: Sau khi điện áp đạt đến UVBSR, các mạch bắt đầu hoạt động

- C2: Hoạt động bình thường: IGBT BẬT và có dòng

- C3: Phát hiện điện áp giảm (UVBSD)

- C4: IGBT OFF mặc dù ngõ vào vẫn còn tín hiệu, nhưng tín hiệu đầu ra lỗi không được tích cực

- C5: Thiết lập lại chế độ bảo vệ thấp áp (UVBSR)

- C6: Hoạt động bình thường: IGBT ON và mang dòng điện

 Nguyên lý hoạt động:

Ban đầu mạch được cung cấp nguồn Mạch bắt đầu hoạt động khi giá trị điện áp đạt tới điện áp đặt lại UVBSR (13V(max)) Trong quá trình hoạt động, nếu điện áp nguồn giảm tới mức điện áp phát hiện UVBSD (9.5V(min)) thì chức năng bảo vệ giảm áp được bật làm tắt IGBT mặc dù tín hiệu ngõ vào vẫn còn Tuy nhiên đối với IGBT mức cao thì tín hiệu ra lỗi

(Fault) không được tích cưc Mạch chỉ được thiết lập lại khi điện áp nguồn phục hồi đến giá trị UVBSR

Bảo vệ ngắn mạch

PS21765 sử dụng một điện trở shunt bên ngoài (RS) để phát hiện dòng ngắn mạch IC điều khiển có chức năng bảo vệ dòng ngắn mạch tích hợp Chức năng bảo vệ này cảm nhận điện áp trên chân CSC Nếu điện áp này vượt quá VSC(ref) (ngưỡng điện áp gây ngắn mạch) được xác định trong datasheet (VSC(ref)=0.5 V), thì tín hiệu lỗi sẽ được kích hoạt ở mức thấp và tất cả sáu IGBT bị tắt Thông thường, độ lớn dòng ngắn mạch tối đa phụ thuộc vào điện áp van: điện áp van cao hơn (VDD & VBS) dẫn đến dòng ngắn mạch lớn hơn Biểu đồ thời gian bảo vệ dòng ngắn mạch của IC được hiển thị trong Hình 4.7

Hình 1.7 Biểu đồ thời gian của quá trình bảo vệ ngắn mạch Chú thích:

- A1: Hoạt động bình thường: IGBT BẬT và mang dòng điện

- A2: Phát hiện dòng ngắn mạch (kích hoạt SC)

- A3: Ngắt cổng IGBT phần cứng

- A4: IGBT tắt bởi chức năng tắt mềm

- A5: Đầu vào “L”: Trạng thái tắt IGBT

- A6: Đầu vào “H”: trạng thái IGBT ON, nhưng trong thời gian hoạt động của đầu ra Fault, IGBT không bật

- A7: Trạng thái tắt IGBT

- A8: IGBT vẫn giữ trạng thái tắt

 Nguyên lý cơ bản:

Khi điện trở Shunt phát hiện điện áp vượt quá điện áp ngưỡng ngắn mạch (VSC(ref)), tín hiệu Fault được kích hoạt ở mức thấp và tất cả 6 IGBT bị tắt Nhưng tín hiệu ở mức cao lại trì hoãn 1 khoản thời gian rồi mới tắt để giảm dòng điện còn dư lại ở trong mạch Trong quá trình lỗi thì dù tín hiệu ngõ vào (L, H) có bật thì IGBT vẫn không hoạt động do tín hiệu lỗi vẫn còn Sau 100us tín hiệu lỗi mất thì lúc này IGBT mới hoạt động lại bình thường

Lựa chọn giá trị điện trở Shunt

Giá trị điện trở Shunt sẽ được tính thông qua hàng loạt những công thức sau đây:

- Dòng điện ngắn mạch tối đa:

Chú thích:

+ MI: chỉ số thiết kế

+ VDC_Link: Điện áp nguồn DC

+ IRMS: Dòng tải lớn nhất của biến tần

+ PF: Hệ số công suất

- Dòng điện DC trung bình:

OUT DC_AVG

+ Eff: Hiệu suất của của biến tần

- Công suất của điện trở Shunt được tính theo công thức sau:

+ RSHUNT: Giá trị trung bình của điện trở Shunt ở TC = 25°C

+ Derating Ratio: Tỉ lệ giảm tải của điện trở Shunt khi TSHUNT = 100°C

+ Margin: ngưỡng an toàn (xác định bởi người thiết kế)

 Tính giá trị RSHUNT:

Các giá trị trong tính toán:

- PS21765

- Sai số cho phép của trở Shunt: ±5%

- Điện áp tham chiếu SC:

- Hiệu suất biến tần: 0.95

- Tỉ lệ giảm tải của trở Shunt tại TSHUNT = 100°C: 70%

- Ngưỡng an toàn: 20%

- TPS62133A-Q1 là bộ chuyển đổi DC-DC dễ sử dụng với mật độ công suất cao Tần

số chuyển mạch cao thường là 2.5 MHz cho phép sử dụng các cuộn cảm nhỏ cũng như độ chính xác điện áp đầu ra cao thông qua việc sử dụng cấu trúc liên kết DCS-Control ™ Với dải điện áp đầu vào hoạt động rộng từ 3 đến 17 V (ta sử dụng nguồn 15V) Các thiết bị hỗ trợ dòng điện đầu ra liên tục 3A với điện áp đầu ra từ 0.9V đến 6V (với chế độ chu trình làm việc 100%) Chế độ tiết kiệm năng lượng nhập tự động và liền mạch nếu tải nhỏ, duy trì hiệu suất cao trên toàn bộ phạm vi tải Ở chế độ tắt máy, các thiết bị được tắt và mức tiêu thụ dòng điện nhỏ hơn 2 μA

- Đặc tính linh kiện:

+ Cấu trúc liên kết DCS-Control ™

+ Nhiệt độ thiết bị: –40 °C đến 125 °C