THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 12V DC /220 AC CÔNG SUẤT 1KW SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất có tên gọi “Kỹ thuật biến đổi điện năng” ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn biến đổi để khống chế biến đổi nguồn lượng điện Các biến đổi điện tử công suất hệ ngày thể rõ ưu việt bật như: kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ… Trong biến đổi điện tử công suất không nhắc đến biến đổi điện áp DC/DC, DC/AC Các biến đổi ngày ứng dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm lượng, sử dụng sinh hoạt điện lưới Đây đề tài đồ án này: “THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA 12V DC /220 AC CÔNG SUẤT 1KW SƯ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SPWM ” Với số liệu ban đầu:  Nguồn chiều E = 12 V DC  Điện áp cung cấp cho nghịch lưu  Công suất 1KW Nội dung đồ án gồm chương:  Chương 1: Tổng quan nghịch lưu áp - Nghịch lưu áp pha/ pha - Nghịch lưu đa bậc (dùng cầu H, dùng diode kẹp)  Chương 2: Phương pháp điểu khiển nghịch lưu áp pha  Chương 3: Tính tốn mạch động lực, mạch lọc mạch bảo vệ  Chương 4: Tính chọn mạch điều khiển  Chương 5: Mô kết luận CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ÁP Nghịch lưu áp thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Hơn điện áp nghịch lưu áp điều chế theo phương pháp khác để giảm sóng điều hòa bậc cao Trước nghịch lưu áp bị hạn chế ứng dụng cơng suất van động lực điều khiển hoàn toàn nhỏ Hơn việc sử dụng nghịch lưu áp tiristo khiến cho hiệu suất biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày công suất van động lực IGBT, GTO, MOSFET trở nên lớn có kích thước gọn nhẹ, nghịch lưu áp trở thành biến đổi thơng dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau sử dụng van điều khiển hoàn toàn Trong trình nghiên cứu ta giả thiết van động lực khóa điện tử lý tưởng, tức thời gian đóng mở khơng nên điện trở nguồn không 1.1 Nghịch lưu áp cầu pha 1.1.1 Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp pha mơ tả hình 1.9 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng lưới tránh tượng áp đầu nguồn Tụ C mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn chiều ( nguồn chiều thường cấp chỉnh lưu cho phép dòng theo chiều ) Như tụ C thực việc tiếp nhận công suất phản kháng tải, đồng thời tụ C đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn áp 1.1.2 Nguyên lí hoạt động Ở nửa chu kỳ (0 ÷ θ), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải U1 = E, hướng dòng điện đường nét đậm Tại thời điểm θ = θ2 , T1 T2 bị khóa, đồng thời T3 T4 mở tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều Ut = - E thời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng tải trở thành nguồn trả lượng thông qua D3, D4 tụ C (đường nét đứt ) Tương tự chu kỳ khóa cặp T3, T4 dòng tải khép mạch qua D1 D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua điơt iD dòng qua tiristo biểu diễn hình 1.1 Biểu thức điện áp dòng điện tải : Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu pha Hình 1.2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu pha Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt kích thước lọc Nguyên lý phương pháp nghiên cứu phần sau 1.2 Nghịch lưu áp cầu pha Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.3 ghép từ ba sơ đồ pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc tính tốn ta giả thiết sau :  Giả thiết van lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vơ dẫn điện theo hai chiều  Van động lực T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với độ dẫn điện λ= 180, Za = Zb = Zc Các điôt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức trả lượng nguồn tụ C đảm bảo nguồn cấp nguồn áp đồng thời tiếp nhận lượng phản kháng từ tải Ta xét cụ thể nguyên lý luật điều khiển cho tiristo sau: Hình 1.3 Sơ đồ nghịch lưu áp pha Hình 1.4 Luật điều khiển tiristor Để đảm bảo tạo điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện van phải tuân theo đồ thị Hình 1.4 Như T1, T4 dẫn điện lệch 180 tạo pha A T3, T6 dẫn điện lệch 180 để tạo pha B T5, T2 dẫn điện lệch 180 để tạo pha C, pha lệch 120 Hình 1.5 Điện áp tải mạch nghịch lưu Dạng điện áp pha UZA, UZB, UZC có dạng hình 1.5 có giá trị hiệu dụng tính cơng thức sau : Suy ra: Giá trị tụ C tính theo công thức: 1.3 Nghịch lưu áp tia pha Hình 1.6 Nghịch lưu áp tia pha • Nhịp VR2: Ngắt xung điều khiển đưa vào S1 Do ảnh hưởng L tải, dòng điện cuộn thứ cấp qua dòng cuộn sơ cấp giữ chiều cũ Dòng cuộn sơ cấp chảy qua VR2 qua nửa phải cuộn sơ cấp … giảm theo đường cong hàm mũ Nhịp VR2 kết thúc dòng iVR2 giảm giá trị • Nhịp S2: Xung điều khiển đưa vào S2 sau ngắt S1 Khi VR2 đóng, dòng chảy qua S2 Điện áp tải không đổi, nhiên dòng iZ đảo chiều … tăng theo đường cong hàm mũ với chiều ngược lại Nhịp S2 kết thúc ngắt xung điều khiển đưa vào S2 bắt đầu đưa xung điều khiển vào S1 • Nhịp VR1: Ngắt xung điều khiển đưa vào S2 Do ảnh hưởng L tải, dòng điện cuộn thứ cấp qua dòng cuộn sơ cấp giữ chiều cũ Dòng cuộn sơ cấp chảy qua VR1 qua nửa trái cuộn sơ cấp … tăng theo đường cong hàm mũ Nhịp VR1 kết thúc dòng tăng lên giá trị 1.4 Nghịch lưu đa mức Trong năm gần nghịch lưu đa mức coi giải pháp hiệu cho ứng dụng cơng suất lớn điện áp cao Nó tạo điện áp dạng sin từ bước nguồn DC cách ly từ nguồn DC nghịch lưu đa mức khâu biến đổi lượng điện lý tưởng cho kết nối nguồn lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết nguồn phân tán pin mặt trời, pin nhiên liệu, tua-bin điện sức gió… Cấu trúc nghịch lưu đa mức phát triển để sử dụng thiết bị đóng cắt bán dẫn với điện áp tương đối thấp cho ứng dụng yêu cầu điện áp cao, cơng suất lớn Hiện có loại nghịch lưu đa mức phổ biến sau: - Nghịch lưu dạng diode kẹp (Neutural Point Clamped Multilevel InverterNPC) - Nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng (Cascade Multilevel Inverter) 1.4.1 Cấu trúc diode kẹp NPC Cấu trúc giới thiệu A Nabae, I Takahashi H Akagi vào năm 1981 Bộ biến đổi điốt kẹp sử dụng điốt tụ điện nối tầng để tạo nhiều mức điện áp khác Hình 1.7 sơ đồ cấu trúc biến đổi điốt kẹp pha năm mức, tạo mức điện áp , /2, 0, -/2, - Bảng 1.1 thể trạng thái đóng cắt van mức điện áp Vac mà ta thu Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc biến đổi năm mức kiểu diode kẹp Bảng 1.1 Trạng thái đóng cắt van cấu trúc diode kẹp, pha, năm mức Nếu nghịch lưu thiết kế cho điốt khóa có mức điện áp với van chuyển mạch, điốtsẽ phải tương đương với n điốt mắc nối tiếp Khi dẫn đến số lượng điốt cần có biến đổi m mức (m-1)(m-2) Tức số lượng điốt khóa tỷ lệ với bình phương số mức biến đổi Các ứng dụng tiêu biểu nghịch lưu đa mức cấu trúc điốt kẹp là: kết nối trung gian đường dây truyền tải điện áp cao chiều với đường dây truyền tải xoay chiều; dùng điều khiển tốc độ cho động công suất lớn, sử dụng điện trung áp Ưu điểm: • Tất pha dùng chung đường dẫn nguồn chiều (DC bus) với yêu cầu tối thiểu số lượng tụ điện • Các tụ điện nạp điện từ trước theo nhóm • Hiệu suất cao tổng thiết bị đóng cắt tần số Nhược điểm: • Mức điện áp DC dễ bị dâng cao xả khơng kiểm sốt • Số lượng điốt kẹp tăng theo tỉ lệ bình phương số mức, gây khó khăn cho biến tần có số mức cao Trong suốt giai đoạn dòng điện cực D giữ khơng đổi Dòng điện cực G hồn tồn dòng xả tụ cực Mosfet Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH Phần lớn dòng điện xả cực G phóng tụ CGS Giai đoạn điện áp UGS dòng điện ID giảm tuyến tính Trong điện áp UDS giữ nguyên giá trị UDS(OFF) Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn q trình phóng điện hoàn toàn tụ điện cực Mosfet, UGS giảm đến giá trị 0V Dòng điện cực D giảm giá trị khơng đổi Tóm lại q trình mở - khóa Mosfet q trình chuyển mạch trạng thái trở kháng cao trạng thái trở kháng thấp thực bốn giai đoạn Độ dài khoảng thời gian giai đoạn định giá trị điện dung cực, điện áp đặt vào cực điều khiển, dòng điện nạp xả tụ điện cực G Đây thông số quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfet ứng dụng có tần số đóng cắt lớn 2.2 Mạch lái Mosfet dùng ICR2110 MOSFET phần tử bán dẫn có tính nắng ưu việt khả đóng cắt nhanh, cơng suất điều khiển nhỏ, thay cho transistor công suất thường Vì thế, điều kiện mở khóa có yêu cầu đặc biệt.Khó khăn việc điều khiển với sườn xung dựng đứng Thời gian tạo sườn xung cỡ 0.1us nhỏ Nhưng tụ kí sinh cực điều khiển với gốc S, cực G với cực máng D cản trở tốc độ thay đổ tín hiệu điều khiển 2.2.1 Sơ đồ chân IR 2110 Hình 3.7 Sơ đồ chân IR 2110 Hình 3.8 Sơ đồ khối IR2110 Hình 1.5: Giản đồ sóng Input Output IC IR2110 Chân 1: Cổng điều khiển cho mức thấp Chân 2: Phản hồi mức thấp Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V Chân 5: Điện áp treo trả mức cao Chân 6: Điện áp treo mức cao Chân 7: Cổng điều khiển cho mức cao Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20 Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển mức cao Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển mức thấp Chân 13: Chân cấp mass cho IC 2.2.2 Chức Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối driver Tuy nhiên, thời gian khóa MOSFET bị kéo dài tải bị kéo khỏi chế dộ bão hòa, tổn thất phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử vật, driver cho MOSFET thường mạch lái(hybrid)- tức driver thường kết hợp mạch bảo vệ tải Đặc biệt, driver cho MOSFET công nghiệp mạch ghép phức tạp để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn chế độ làm việc MOSFET sử dụng mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ đến hang chục nghìn KHz Sự cố thường xảy q dòng ngắn mạch từ phía tải từ phía phần tử đóng cắt Vì vậy, để điều khiển cho MOSFET ta dung IC chuyên dụng IR2110 Mạch lọc Với mục đích cải thiện chất lượng điện áp biến đổi điện áp dùng filt lọc xoay chiều Để tính filt lọc ta xuất phát từ thông số sau : Điện áp sau filt lọc: UAK (V) Công suất nghịch lưu: P (W) Tần số nghịch lưu: f (Hz) Hệ số cos tải Hình 3.8 Sơ đồ filt lọc xoay chiều Mạch loc LC mạch lọc có khả lọc tốt nhất, có khả lọc nhiều tần số theo ý muốn Nhược điểm lớn giá thành vận hành mạch, vận hành tin cậy mạch lọc RC mạch có cuộn cảm gây nhiễu thơng tin Phần B: Tính tốn thơng số mạch động lực: 1.Chọn hệ số điều biến 1.1 Hệ số điều biến tần số: Hệ số biến tần: Hệ số biền tần có vai trò quan trọng nghịch lưu phương pháp SPWM Viêc chọn hệ số điều biến định chất lượng trình sản phẩm Thành phần sóng hài tồn xung quanh tần số chuyển mạch bội số Tuy nhiên < sóng hài khơng phụ thuộc vào hệ số điều biến tần số Khi tăng tần số chuyển mạch ta giảm sóng hài bậc cao tần số ta lọc chúng dễ dàng Nghịch lưu có áp với tần số 50Hz Như ta chọn hệ số biến tần 60 1.2 Hệ số điều biến biên độ: Hệ số điều biến biên độ Khi : khoảng điều khiển tuyến tính ngịch lưu Điện áp điều khiển tuyến tính Khi : khoảng điều khiển phi tuyến nghịch lưu Điện áp điều khiển phi tuyến Trong nghịch lưu này, ta điều khiển tuyến tính nghịch lưu, tức chọn = Trị số điện áp trung bình đầu ra: Ura = 310 V Mạch boost 220 2.1 Tính chọn van động lực Chọn hệ số dự trữ điện áp: ku= 1.2 Hệ số dự trữ dòng điện: ki= 1.5 Với tần số đóng cắt: 10 kHz Tỷ số đóng van: Chọn MOSFET 2SK2136 2.2 Tính chọn L, C Lọc giảm dao động điện áp: 5% - Tính chọn L => Chọn Tính chọn Diode Diode có dòng Chọn diode B10 , : =10 A =100-1200 V Phần mạch nghịch lưu Bộ nghịch lưu thiết kế để cung cấp cho tải có công suất kA Giã sử hiệu suất nghịch lưu 0.8 cơng suất vào nghịch lưu Giá trị dòng điện Hệ số dự trữ dòng điện: ki = 1.5  Hệ số dự trữ điện áp ku = 1.2  Chọn: Chọn MOSFET 2SK2136 4.Tính toán mạch lọc Để đảm bảo điện áp AC đầu dạng gần với sin chuẩn nhật, ta chọn lọc cộng hưởng LC với mặt lọc: - Hệ số lọc ; ; lọc tốt - Hệ số thỏa mãn với q hệ số lọc sóng hài thấp Ta chọn q =  ta chọn => Mạch lọc - với I=4.545  Lọc cộng hưởng - Ta chọn tụ cuộng kháng CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch tạo dao động hình sin pha tần số 50Hz Hình 4.1: Mạch cầu Wien - nhiệt điển trở cho - Ω ta có - => Mạch tạo xung tam giác tần số cao a Nguyên lý: Mạch điện hình 3.14 sơ đồ mạch dao động tích dùng Op-amp tín hiệu vng Sơ đồ có hai mạch hồi tiếp từ ngõ hai ngõ vào Cầu phân áp RC hồi tiếp ngõ, cầu phân áp hồi tiếp ngõ Để giải thích nguyên lý mạch ta giả sử tụ C chưa nạp điện Op-amp trạng thái bão hòa dương Lúc này, cầu phân áp đưa điện áp dương ngõ với Hình 4.2: Mạch tạo xung tam giác tần số cao mức điện áp là: Trong đó, ngõ có điện áp tăng dần lên từ 0V, điện áp tăng tụ C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với số thời gian  =RC Khi tụ C nạp có < Op-amp trạng thái bão hòa dương Khi tụ C nạp đến mức điện áp < Op-amp đổi thành trạng thái bão hòa âm, ngõ có Lúc cầu phân áp đưa điện áp âm ngõ với mức điện áp là: Trong ngõ Invẫn mức điện áp dương với trị số: Do tụ C nạp điện Như Op-amp chuyển sang trạng thái bão hòa âm nhanh cho cạnh xung vuông thẳng đứng Tụ C xả điện áp dương nạp tụ qua tải ngõ xuống mass Khi tụ C xả điện áp dương có thìvẫn mức điện áp âm nên Op-amp trạng thái bão hòa âm Khi tụ C xả hết điện áp dương nạp điện qua R để có điện áp âm có ngõ trạng thái bão hòa âm chiều nạp ngược với chiều dòng điện nạp hình vẽ Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức(ngõ nhỏ ngõ ) Op-amp lại đổi thành trạng thái bão hòa dương ngõ có Mạch trở lại trạng thái giả thiết ban đầu tượng tiếp diễn liên b Dạng sóng chân: Mức giới hạn điện áp ngõ là: Mức giới hạn điện áp hai ngõ vào là: Dạng điện áp ngõ vào dạng tam giác Thời gian điện áp ngõ vào tang từ trạng thái bão hòa dương, thời gian điện áp ngõ vào giảm từ xuống Op-amp trạng thái bão hòa dương Dạng điện áp ngõ ngõ trạng thái xung vuông đối xứng Chu kỳ tín hiệu tính theo cơng thức: Suy tần số tín hiệu xung tính theo cơng thức: Dao động dùng vi mạch IC555 Chức chân ic 555 + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung + Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp.Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc + Chân số 3(OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cao tương ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân khơng nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định + Chân số 6(THRESHOLD) : chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt + Chân số 7(DISCHAGER) : xem chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động + Chân số (Vcc): Khơng cần nói bít chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy loại 555 thấp NE7555) Hình 4.4: Cấu trúc IC 555 Cơng thức tổng qt IC555 - Tần số tín hiệu đầu là: - Chu kì tín hiệu đầu là: - Thời gian xung mức H(1) chu kì: - Thời gian xung mức L(0) chu kì: Chọn ; ; CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1 Mô điều khiển SPWM 4.1.1 Sơ đồ mô 4.1.2 Kết mô 4.2 Mô nghich lưu áp pha 4.2.1 Sơ đồ mô 4.2.2 Kết mô ... S cực máng D Cực máng cực đón hạt mang điện Nếu kênh dẫn n hạt mang điện điện tử (electron), cực tính điện áp cực máng dương so với cực gốc Cấu trúc bán dẫn Mosfet kiểu p tương tự lớp bán dẫn... sơ đồ điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực tần số điện áp gấp đôi tần số chuyển mạch điện áp đầu chuyển mạch thay đổi với trị số Ud so với 2Ud sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng cực Do tần số điện. .. cầu pha 1.1.1 Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp pha mơ tả hình 1.9 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng lưới tránh tượng áp đầu nguồn