Nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm bộ biến đổi DC AC phục vụ cho môn học điện tử công suất

1.4 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm Sơ đồ khối của mô hình thí nghiệm gồm các thành phần như sau: Module nguồn cấp 3 pha Module nguồn chỉnh lưu Module mạch lực Module lọc LC Module tải M

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm bộ biến đổi DC/AC phục vụ cho môn học Điện tử

công suất

NGUYỄN VĂN MẠNH

Manh.nv166432@sis.hust.edu.vn

Ngành Cử nhân Công nghệ Điều khiển và Tự động hóa

Chuyên ngành Tự động hóa Công nghiệp

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2020

Lời cảm ơn

Em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn trong nhóm đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài này Em cũng xin được cảm ơn thầy giáo, các anh trong nhóm PE-LAB đã hướng dẫn, chỉ bảo và giải đáp rất tận tình mỗi khi em và các bạn gặp phải những vướng mắc trong khi thực hiện đề tài

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM DC/AC 1

1.1 Bộ biến đổi DC/AC 1

1.2 Tìm hiểu nguyên lý 1

1.2.1 Mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha 1

1.2.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 2

1.3 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm 3

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MẠCH NGUYÊN LÝ 4

2.1 Mạch lực 4

2.2 Mạch driver cho van bán dẫn 4

2.3 Mạch điều khiển số 5

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 6

3.1 Hàn mạch 6

3.2 Quấn và kiểm tra biến áp xung 7

3.3 Sử dụng máy Oscillo 7

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nghịch lưu độc lập 1

Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 1 pha 1

Hình 1.3: Đồ thị làm việc của nghịch lưu 1 pha 2

Hình 1.4: Điều chế PWM lưỡng cực 2

Hình 1.5: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 2

Hình 1.6: Sơ đồ khối mạch thí nghiệm 3

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu 1 pha sử dụng cầu H IGBT 4

Hình 2.2: Mạch lực nghịch lưu 3 pha dùng van IGBT 4

Hình 2.3: Sơ đồ khối cách ly tín hiệu điều khiển 4

Hình 2.4: Mạch cách ly sử dụng IC HCPL – 3120 5

Hình 2.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển sử dụng dsPIC30F4011 5

Hình 3.1: Mạch cấp nguồn cho mạch điều khiển Power Supply 6

Hình 3.2: Mạch điều khiển số 6

Hình 3.3: Mạch lực nghịch lưu 1 pha 7

Hình 3.4: Mạch lực nghịch lưu 3 pha 7

Hình 3.5: Điện áp sơ cấp biến áp xung 7

Hình 3.6: Điện áp thứ cấp biến áp xung 7

Hình 3.7: Mạch nghịch lưu sử dụng mạch điều khiển số 8

Hình 3.8: Tín hiệu điều khiển và điện áp ra điều khiển xung vuông 8

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MÔ HÌNH THÍ

NGHIỆM DC/AC 1.1 Bộ biến đổi DC/AC

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (còn gọi là bộ biến đổi DC/AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với các phụ tải độc lập

NLĐL

Hình 1.1: Nghịch lưu độc lập

Nghịch lưu phụ thuộc cũng biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không đổi của lưới điện Còn nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện

Bộ biến đổi DC/AC hiện nay được sử dụng rất rộng rãi: hệ thống truyền động xoay chiều ba pha, bộ cấp nguồn độc lập hoặc bộ biến đổi nối lưới… Biến đổi điện áp DC/AC là một khâu trong cấu trúc của biến tần gián tiếp Ngày nay biến tần được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp vì có thể điều chỉnh tần số

và điện áp ra một cách dễ dàng

1.2 Mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha.

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 1 pha được mô tả như hình1.2 Sơ đồ gồm 4 van bán dẫn T1, T2, T3, T4 mắc theo dạng cầu H và các diôt mắc song song ngược với các van để trả công suất phản kháng của tải về lưới

T1

C1

D1

+

-AC Load

Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 1 pha.

Các chế độ điều khiển: điều khiển xung vuông, điều chế PWM

Chế độ điều khiển xung vuông: Các van hoạt động theo cặp T1, T2 và T3,

T4 Hai cặp van dẫn khoảng thời gian như nhau và bằng một nửa chu kì

+

T1, T2

T3, T4

U

0

t

t

t 2π

2π

2π

π

π

-Hình 1.3: Đồ thị làm việc của nghịch lưu 1 pha

Chế độ PWM: Sử dụng sóng răng cưa tần số cao so sánh với sóng điều

khiển sin chuẩn

Ura

Hình 1.4: Điều chế PWM lưỡng cực

1.3 Mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha.

Để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha từ nguồn một chiều cần sử dụng 3 nhóm van đấu theo mạch cầu như hình 1.5, điểm giữa mỗi nhánh van thẳng hàng là điểm nối tiếp với phụ tải 3 pha đấu sao hoặc tam giác

2

AC Load

T1

C1

D1

T4

D4

+

T3

D3

T6

D6

-T5

T2

D5

D2

Hình 1.5: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha.

1.4 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm

Sơ đồ khối của mô hình thí nghiệm gồm các thành phần như sau:

Module nguồn

cấp 3 pha Module nguồn chỉnh lưu Module mạch lực Module lọc LC Module tải

Module điều khiển NLĐL

Hình 1.6: Sơ đồ khối mạch thí nghiệm.

Xây dựng mô hình thí nghiệm dưới dạng các Module mạch để thuận tiện cho việc thí nghiệm

- Module nguồn cấp 3 pha: Cấp nguồn từ điện áp lưới đến module bàn thí nghiệm.Cấp nguồn điện 3 pha 110V cho Module nguồn chỉnh lưu từ nguồn điện

3 pha 380V nhờ máy biến áp tự ngẫu

- Module nguồn chỉnh lưu: Cấp nguồn một chiều cho các Module mạch lực nghịch lưu 1 pha và Module mạch lực nghịch lưu 3 pha

- Module mạch lực: Module mạch lực 1 pha đối với bài thí nghiệm nghịch lưu nguồn áp 1 pha và Module mạch lực 3 pha đối với bài thí nghiệm nghịch lưu nguồn áp 3 pha

- Module lọc LC: Thực hiện chức năng lọc điện áp đầu ra trong sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 1 pha và 3 pha

- Module Tải: Là tải thụ động cho tất cả bài thí nghiệm với điện cảm L = 50mH, điện trở R = 22ꭥ

4

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MẠCH NGUYÊN

LÝ 2.1 Mạch lực

Mạch lực sử dụng mạch van IGBT để thực hiện đóng cắt điện áp DC với các chế độ điều khiển để tạo ra điện áp AC ra phía tải

Đối với sơ đồ nghịch lưu 1 pha sử dụng cầu H IGBT

Overcurrent_Protection

Hình 2.7: Sơ đồ nghịch lưu 1 pha sử dụng cầu H IGBT.

Đối với sơ đồ nghịch lưu 3 pha: Sử dụng 6 van IGBT được ghép với nhau theo cặp, mỗi cặp ứng với một pha điện áp

Hình 2.8: Mạch lực nghịch lưu 3 pha dùng van IGBT.

2.2 Mạch driver cho van bán dẫn

Cách ly quang

G1 G2 G3 G4

Nguồn cách ly

Tín hiệu điều khiển

Hình 2.9: Sơ đồ khối cách ly tín hiệu điều khiển.

Mạch Driver sử dụng cách ly quang: IC HCPL3120 có vai trò là cách ly quang IC cách ly HCPL3120 hoạt động dựa vào hoạt động của 1 cặp LED quang học (optocoupler)

Hình 2.10: Mạch cách ly sử dụng IC HCPL – 3120.

Hình 2.11: Sơ đồ mạch khối cách ly tín hiệu điều khiển.

2.3 Mạch điều khiển số

6

Sơ đồ khối của mạch điều khiển số nghịch lưu nguồn áp 1 pha và 3 pha gồm các khối chức năng như sau:

- Khối nguồn: Cấp nguồn 5V cho vi điều khiển hoạt động

- Khối đầu vào Analog: Mạch phân áp sử dụng biến trở là đầu vào tương tự cho bộ chuyển đổi tương tự - số ADC của vi điều khiển dsPIC Điều chỉnh biến trở để điều chỉnh hệ số biên độ ma, hệ số tần số mf của các sóng điều khiển trong mạch điều khiển

- Khối đầu vào Digital: giúp xác định các trạng thái hoạt động của mạch điều khiển Các trạng thái On, Off, Reset, Mode 1, Mode 2 ứng với các đầu vào của các cổng RF0÷RF5

DsPIC

Bảo vệ trùng dẫn

Module mạch lực

Đầu vào

Digital

Đầu vào

Analog

Khối

nguồn

Hiển thị LCD

Tín hiệu điều khiển

Hình 2.12: Sơ đồ khối mạch điều khiển sử dụng dsPIC30F4011.

- Khối hiển thị LCD: dùng để hiển thị chế độ điều khiển và các thông số của mạch điều khiển

Thực hiện điều khiển số đối với mạch điều khiển nghịch lưu nguồn áp 1 pha

và mạch điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng vi điều khiển dsPIC30F4011 để phát xung điều khiển các van ứng với các chế độ điều khiển khác nhau

Hình 2.13: Sơ đồ chân của dsPIC30F4011

Khối nguồn: Đầu vào khối nguồn 5V là điện áp +15V lấy từ mạch cấp nguồn Power Supply Mạch nguồn 5V sử dụng IC ổn áp LM7805 với điện áp đầu vào +15V Trong mạch có sử dụng các tụ hóa 470uF để san phẳng điện áp và tụ

IN OUT GND

1

2

Hình 2.14: Mạch nguồn 5V cho vi điều khiển dsPIC.

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Hàn mạch

+ Xem danh sách linh kiện ( số lượng, thông số kỹ thuật) và lấy lần lượt từng linh kiện

+ Xem vị trí chính xác của các linh kiện trên bảng mạch in + Lắp ráp các linh kiện 1 cách tuần tự, ưu tiên các linh kiện dán sau đó đến các linh kiện cắm nhỏ trước to sau

+ Điều chỉnh nhiệt độ máy hàn phù hợp ( 300 – 400 độ C) , dùng lượng thiếc thích hợp với từng linh kiện đủ để giữ linh kiện có độ chắc chắn

Một số lưu ý trong thiết kế , lắp ráp và hàn mạch:

+ Việc sắp xếp vị trí linh kiện trên bảng mạch nên tuân thủ theo vị trí trên bản vẽ thiết kế mạch để việc đọc mạch dễ dàng hơn, phân vùng cụ thể cho từng khối chức năng trên 1 bảng mạch

+ Khi lắp ráp linh kiện thì thông số kỹ thuật là cực kỳ quan trọng , hạn chế việc lắp nhầm linh kiện hoặc lắp linh kiện không đúng với thông số thiết kế + Trước khi hàn nên kiểm tra lại sơ đồ thiết kế và cố định chắc chắn linh kiện , với một số IC nên được hàn cao chân để đáp ứng nhu cầu tản nhiệt của linh kiện, tuyệt đối không để các mối hàn dính chân vào nhau sẽ gây cháy mạch , hỏng linh kiện

Kết quả đạt được:

- Mạch cấp nguồn Power Supply ±15V và 24V cho các mạch điều khiển

Hình 3.15: Mạch cấp nguồn cho mạch điều khiển Power Supply.

8

- Mạch điều khiển số dùng chung cho nghịch lưu 1 pha và nghịch lưu 3 pha.

Hình 3.16: Mạch điều khiển số.

- Mạch lực nghịch lưu 1 pha và 3 pha dùng van IGBT

Hình 3.17: Mạch lực nghịch lưu 1 pha Hình 3.18: Mạch lực nghịch lưu 3 pha

3.2 Quấn và kiểm tra biến áp xung.

Quấn biến áp xung với số vòng cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp để sử dụng cho mạch driver van bán dẫn Sử dụng dây đồng quấn trên các chân của lõi biến áp xung, thực hiện quấn đúng số vòng dây và chiều quấn dây rồi sau đó hàn thiếc tại mỗi chân Sau đó cấp nguồn xung 12V vào cuộn sơ cấp rồi kiểm tra điện

áp bên thứ cấp thu được điện áp ±15V và ±5V Như vậy biến áp xung đã quấn đúng và hoạt động tốt

Hình 3.19: Điện áp sơ cấp biến áp

3.3 Sử dụng máy Oscillo

Thực hiện lắp ráp các mảng mạch theo sơ đồ thí nghiệm Rồi sau đó sử dụng máy oscillo để đo các tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra ứng với 2 mạch nghịch lưu 1 pha và 3 pha

Cấp nguồn 24V DC cho mạch nghịch lưu thông qua mạch nguồn 24V, cấp nguồn cho mạch nguồn ±18V từ Lioa

Nguồn cấp

Mạch nguồn

Mạch điều khiển DSPIC Mạch

lực

Hình 3.21: Mạch nghịch lưu sử dụng mạch điều khiển số

Các dạng tín hiệu thu được như sau:

Chế độ điều khiển xung vuông của mạch nghịch lưu 1 pha

10

Tín hiệu điều khiển f = 50Hz Tín hiệu điều khiển f = 60Hz

Điện áp ra f = 50Hz Điện áp ra f = 60Hz

Hình 3.22: Tín hiệu điều khiển và điện áp ra điều khiển xung vuông

Tín hiệu điều khiển với f = 50Hz Tín hiệu điều khiển với f = 60Hz

Điện áp ra f = 50Hz Điện áp ra f = 60Hz

Hình 3.7: Chế độ điều khiển PWM nghịch lưu 1 pha

Điều chỉnh các thông số Time/div, Vol/div của Oscillo để quan sát dạng tín hiệu điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha với chế độ SVM

Tín hiệu điều khiển với f = 50Hz,

hệ số ma 80%

12

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Tự sửa

Sau 6 tuần thực tập tại trường đại học bách khoa hà nội, dưới sự hướng dẫn và tạo điều khiên của thầy.Em đã đúc kết cho mình được một số kiến thức cũng như

là kinh nghiệm trong công việc thực tế về mạch điện tử công suất, cũng như là phương thức làm việc nhóm,bố trí công việc cho từng người trong nhóm - Qua việc thực tế em nhận thấy việc tính toán lý thuyết và làm thực tế tuy có khác rất nhiều nhưng lý thuyết vẫn là nền tảng rất cần thiết để ta thực hiện trên thực tế -Tuy trong thời gian thực tập em cũng đã cố gắng rất nhiều nhưng vẫn chưa đạt được kết quả mà thầy cũng như em mong muốn, nên em biết mình sẽ phải cố gắng hơn trong những công việc tiếp theo - Một lần nữa em xin chân thành cảm

ơn thầy trong thời gian qua đã hướng dẫn cũng như tạo điều kiện để em hoàn thành công việc của mình

Các kĩ năng rèn luyện được:

+ Đọc linh kiện, bản vẽ mạch in

+ Kĩ năng sử dụng máy hàn thiếc để hàn mạch

+ Kĩ năng sử dụng máy oscillo để đo các dạng sóng

+ Kĩ năng đấu nối các phần tử trong mạch điện