Đồ án Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5KW

Đồ ỏn: Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5KW  Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 1 Lời mở đầu Nhiệm vụ của một sinh viên tr−ớc khi ra tr−ờng lμ phải thực hiện vμ bảo vệ thμnh công đồ án tốt nghiệp của mình. Đây lμ b−ớc cuối cùng để một ng−ời sinh viên trở thμnh một kỹ s−, kết thúc một chặng đ−ờng học tập vμ rèn luyện d−ới mái tr−ờng đại học. Giờ đây, trải qua năm năm tu d−ỡng vμ trau đồi kiến thức d−ới mái Tr−ờng đại học Bách khoa Hμ Nội, em đã nhận đ−ợc nhiệm vụ đề tμi tốt nghiệp của mình. Nội dung của đề tμi:” Thiết kế bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung - PWM công suất 5 kW”. Trong đề tμi bao gồm hai phần; Thiết kế bộ nghịch l−u vμ mô phỏng bộ nghịch l−u bằng phần mềm PESIM. D−ới sự h−ớng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Thế Công vμ các thầy cô trong bộ môn, em đã hoμn thμnh đ−ợc phần thiết kế bộ nghịch l−u. D−ới sự giúp đỡ của thầy giáo Trần Quốc Thắng, em đã hoμn thμnh đ−ợc phần mô phỏng bằng phần mềm PESIM. Do thời gian vμ trình độ còn hạn chế nên đề tμi của em chắc còn nhiều thiếu sót. Rất mong các thầy cô chỉ bảo trong buổi bảo vệ để em rút ra đ−ợc những kinh nghiệm cho công việc sau nμy. Qua đây, em xin chân thμnh cảm ơn các thầy cô giáo Bách Khoa đã dìu dắt em trong năm năm học vừa qua. Em xin trân thμnh cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa Điện, Đại học Bách khoa Hμ Nội, đã trực tiếp dạy dỗ vμ trang bị cho em những kiến thức kỹ năng chuyên nghμnh bổ ích. Em vô cùng biết ơn thầy giáo Nguyễn Thế Công lμ ng−ời đã trực tiếp vμ tận tình h−ớng dẫn em hoμn thμnh đồ án tốt nghiệp nμy. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trần Quốc Thắng, ng−ời đã tận tình giúp đỡ để em có điều kiện hoμn thμnh phần mô phỏng của mình trên phần mềm PESIM. Sẽ trở thμnh một cán bộ kỹ thuật, em luôn tự nhủ phải không ngừng học tập trau dồi kiến thức vμ kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vμo những công việc thực tế, để xứng đáng với danh hiệu kỹ s− tốt nghiệp từ Tr−ờng Đại học Bách khoa Hμ Nội. Hμ Nội, tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện: Hoμng Ngọc Tuân Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 2 mục lục ch−ơng 1: tổng quan về các bộ nghịch l−u ...................................................5 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u............................................................................5 2. Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch l−u ...........................................................6 2.1. Bộ nghịch l−u trực tiếp .................................................................................6 2.1.1. Nguyên lý lμm việc của bộ nghịch l−u trực tiếp....................................7 2.1.2. Sự lμm việc của nhóm bị khoá ...............................................................8 2.1.3 Sự lμm việc có dòng điện vòng .............................................................10 2.1.4. Luật điều khiển nghịch l−u trực tiếp....................................................13 2.2.Bộ nghịch l−u gián tiếp ...............................................................................13 2.2.1.Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch l−u gián tiếp................................14 2.2.2. Bộ nghịch l−u nguồn dòng điện - chỉnh l−u có điều khiển..................15 2.2.2.1.Bộ nghịch l−u một pha ...................................................................15 2.2.2.2. Bộ nghịch l−u ba pha.....................................................................16 2.2.3. Bộ nghịch l−u nguồn điện áp chỉnh l−u có điều khiển .......................19 2.2.3.1. Bộ nghịchl−u một pha ...................................................................19 a.Sơ đồ nghịch l−u một pha có điểm giữa...............................................19 b. Mạch nghịch l−u nửa cầu....................................................................22 c.Mạch nghịch l−u cầu............................................................................22 2.2.3.2. Bộ nghịch l−u ba pha.....................................................................24 2.2.3. Bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung -chỉnh l−u không điều khiển 28 ch−ơng II: bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung ......................................29 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u điều biến độ rộng xung ...................................29 2. Nguyên lý hoạt động của PWM .......................................................................30 3. Định l−ợng PWM .............................................................................................33 3.1. Sin hoá PWM .............................................................................................34 3.2. T−ơng quan tần số ......................................................................................36 3.3. Ph−ơng thức loại trừ sóng hμi.....................................................................37 3.4. Ph−ơng thức dạng sóng dòng điện nhỏ nhất ..............................................40 3.4. Điều khiển thích nghi dòng điện PWM .....................................................43 Ch−ơng 3: Thiết kế mạch động lực ..................................................................45 1.Đề xuất ph−ơng án.............................................................................................45 1.1. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM đơn cực.....................................................45 1.2. Ph−ơng pháp nghịch l−u PWM l−ỡng cực .................................................47 1.3 So sánh hai ph−ơng pháp nghịch l−u...........................................................48 1.3.1.Ph−ơng pháp PWM dơn cực .................................................................48 1.3.2. Ph−ơng pháp PWM l−ỡng cực .............................................................48 1.3.3. Chọn ph−ơng án nghịch l−u .................................................................49 1.4. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt vμ dạng mạch động lực ............................49 1.4.1. Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt ............................................................49 1.4.2. Sơ đồ mạch động lực............................................................................52 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 3 2. Tính toán thông số mạch động lực ...................................................................55 2.1. Chọn hệ số điều biến tần số .......................................................................55 2.2. Chọn hệ số điều biến biên độ .....................................................................56 2.3. Phân tích điện áp đầu ra khi ma < 1 ...........................................................57 2.4. Tính toán chọn van đóng cắt ......................................................................59 2.4.1. Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT ..................................59 2.4.2. Loại trừ sóng hμi bậc cao.....................................................................60 2.4.3. Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch l−u ............................................62 2.4.3.1. Thiết kế bộ lọc cho chế độ cực đại của tần số...............................62 2.4.3.2. Thiết kế bộ lọc cho chế độ tần số cực tiểu ....................................64 2.4.4. Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT.......................................65 2.4.5. Tính toán dòng điện cung cấp cho mạch nghịch l−u...........................70 2.5. Thiết kế cuộn kháng lọc sau mạch nghịch l−u...........................................72 2.6. Chọn diode chỉnh l−u vμ tụ lọc nguồn .......................................................77 2.6.1. Chọn diode chỉnh l−u...........................................................................77 2.6.2. Chọn tụ lọc nguồn................................................................................78 2.7. Thiết kế máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh l−u .........................................81 2.7.1. Tính sơ bộ kích th−ớc mạch từ ............................................................82 2.7.2. Tính toán dây quấn ..............................................................................82 2.7.3. Kết cấu dây quấn sơ cấp ......................................................................83 2.7.4. Kết cấu cuộn dây thứ cấp.....................................................................85 2.7.5. Tính toán kích th−ớc mạch từ ..............................................................85 2.7.6. Tính khối l−ợng sắt vμ đồng ................................................................88 2.7.7. Tính các thông số của máy biến áp .....................................................89 Ch−ơng 4: Thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi Mô phỏng mạch nghịch l−u bằng pesim ................................... 91 A. Giới thiệu về phần mềm pesim....................................................................91 B. thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi.........................................95 4.1. Những vấn đề chung về mạch điều khiển vμ mạch phản hồi .....................95 4.1.1. Mạch đặt tần số....................................................................................96 4.1.2. Mạch đặt dòng điện .............................................................................99 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều chỉnh dòng điện vμ đặt tần số .........................102 C. kết quả mô phỏng bằng pesim ................................................................106 4.4. Xác định dải tần hoạt động của lọc..........................................................106 4.4.1. Thμnh phần sóng hμi ở dải tần 500 Hz ..............................................107 4.4.2. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 400Hz.................................................110 4.4.3. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 300 Hz................................................111 4.4.4. Thμnh phần sóng hμi ở tần số 200 Hz................................................114 4.4.5. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 100 Hz.............................................117 4.4.6. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 50 Hz...............................................121 4.4.7. Thμnh phần sóng hμi khi tần số 10 Hz...............................................123 D. chọn vμ hiệu chỉnh mạch phản hồi dòng điện ...................................125 4.5. Đề xuất mạch phản hồi dòng điện ...........................................................125 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 4 4.6. Kết quả mô phỏng mạch kín ....................................................................128 4.6.1. Khảo sát ổn định dòng khi tần số thay đổi. .......................................128 4.6.2. Khi tải bộ nghịch l−u thay đổi ...........................................................132 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 5 ch−ơng 1 tổng quan về các bộ nghịch l−u 1. Sự cần thiết của bộ nghịch l−u Điều khiển động cơ điện lμ một trong những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế truyền động điện. Động cơ điện đ−ợc thiết kế luôn luôn có một tần số vμ điện áp định mức. ở tần số vμ điện áp định mức, động cơ vận hμnh với hiệu suất thiết kế vμ tổn hao trong động cơ lμ nhỏ nhất, đem lại giá trị kinh tế lớn nhất. Khi vận hμnh ở các trị số định mức thì khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ lμ rất thấp vì khi đó động cơ không cho phép thay đổi quá nhiều do khả năng phát nóng của máy. Trong truyền động điện thì yêu cầu điều chỉnh tốc độ th−ờng xuyên đ−ợc đặt ra vμ ngμy cμng yêu cầu độ chính xác trong điều khiển. Khi muốn điều chỉnh tốc độ ngoμi định mức thì một số thông số của động cơ phải thay đổi để đảm bảo điều khiện vận hμnh lâu dμi. Ph−ơng pháp đ−ợc ứng dụng đầu tiên lμ điều khiển điện áp đặt vμo động cơ vμ cố định tần số của dòng điện bằng điện áp l−ới. Ph−ơng pháp nμy tỏ ra hiệu quả với những động cơ công suất lớn vμ khả năng điều chỉnh tốc độ không cao, khi đó điện áp động cơ thay đổi không quá lớn so với định mức. Một số ph−ơng pháp thông th−ờng để thay đổi điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc áp dụng trong điều khiển tốc độ động cơ: + Đặt điện áp hình sin trị số thấp hơn định mức vμo động cơ: Phần điện áp chênh lệch giữa điện áp l−ới vμ điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc đặt lên một thiết bị tiêu tán, thông th−ờng lμ cuộn kháng. Ưu điểm của ph−ơng pháp nμy lμ điện áp đặt lên động cơ hình sin do vậy không tồn tại sóng hμi trong động cơ, không gây ra tiếng ồn. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp nμy lμ gây ra tổn hao trong cuộn kháng, khi yêu cầu tốc độ cμng thấp hơn so với định mức thì tổn hao nμy cμng lớn. + Đặt một điện áp không sin thấp hơn định mức lên động cơ: Ph−ơng pháp nμy gọi lμ điều áp xoay chiều. Quá trình thay đổi điện áp đặt lên động cơ đ−ợc thực hiện bằng cấp một điện áp không liên tục cho động cơ vμ khi đó điện áp hiệu dụng của động cơ thay đổi. Khi điện áp hiệu dụng của động cơ thay đổi thì tốc độ của động cơ thay đổi theo, khi đó ta điều khiển đ−ợc tốc độ động cơ. Ưu điểm chính của ph−ơng pháp nμy lμ không gây tổn hao trên thiết bị dùng để tiêu tán phần điện áp chênh lệch giữa điện áp l−ới vμ điện áp đặt lên động cơ. Nh−ợc điểm chính của ph−ơng pháp nμy lμ tăng tổn hao trong động cơ. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 6 Khi dòng điện không liên tục sẽ gây ra sóng hμi trong động cơ, những sóng hμi nμy sẽ gây ra tổn hao trong động cơ tăng. Khi tốc độ yêu cầu thấp hơn định mức cμng nhiều thì tổn hao trong động cơ cμng tăng. ở tốc độ gần không thì gần nh− không điều khiển đ−ợc do tổn hao sóng hμi trong động cơ quá lớn. Từ hai ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ ở trên ta thấy: Khi động cơ yêu cầu dải điều chỉnh tốc độ lớn, đặc biệt khi yêu cầu điều chỉnh ở tốc độ thi hai ph−ơng pháp trên gần nh− hoμn toμn không đáp ứng đ−ợc do tổn hao tăng vμ hiệu quả kinh tế thấp. Chính vì vậy ph−ơng pháp điều khiển tốc độ động cơ ở tần số định mức không đáp ứng đ−ợc với những truyền động điện yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Một ph−ơng pháp khác đ−ợc đ−a ra để điểu khiển tốc độ động cơ đạt hiệu quả cao vμ kinh tế lμ điều khiển cả tần số vμ điện áp đặt vμo động cơ. Điện áp l−ới không đặt trực tiếp vμo động cơ mμ gián tiếp qua một thiết bị biến đổi, thiết bị biến đổi nμy sẽ thay đổi tần số vμ điện áp của động cơ để đạt đ−ợc giá trị mong muốn của tốc độ. Thiết bị thay đổi tần số vμ điện áp đặt vμo động cơ đ−ợc gọi với tên gọi chung lμ bộ nghịch l−u. Bộ nghịch l−u sẽ đ−a động cơ hoạt động từ thông số định mức nμy sang thông số định mức khác để đảm bảo điều chỉnh tốc độ chính xác vμ giảm tổn hao đem lại hiệu quả kinh tế cao. Bộ nghịch l−u thông th−ờng đ−ợc chia ra lμm hai loại chính: + Bộ nghịch l−u gián tiếp: Điện áp l−ới tần số công nghiệp đ−ợc biến đổi trực tiếp thμnh tần số khác tần số l−ới vμ cung cấp cho động cơ. Tần số ra của bộ nghịch l−u thấp hơn tần số l−ới. + Bộ nghịch l−u gián tiếp: Điện áp l−ới tr−ớc khi cung cấp cho tải đ−ợc chỉnh l−u thμnh điện áp một chiều, điện áp một chiều sau đó đ−ợc biến đổi thμnh điện áp xoay chiều cung cấp cho tải. Tần số ra của bộ nghịch l−u có thể biến đổi từ 0 đến tần số định mức của bộ nghịch l−u. 2. Nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch l−u 2.1. Bộ nghịch l−u trực tiếp Bộ nghịch l−u trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch song song nối ng−ợc nh− hình vẽ ( hình 1.1). Trên đồ thị dạng sóng của bộ nghịch l−u ta thấy công suất tức thời của bộ nghịch l−u bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp vμ dòng điện của bộ nghịch l−u d−ơng, bộ nghịch l−u lấy công suất từ l−ới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp vμ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 7 dòng điện trong bộ nghịch l−u âm nên bộ nghịch l−u biến đổi cung cấp lại công suất cho l−ới. 2.1.1. Nguyên lý lμm việc của bộ nghịch l−u trực tiếp Để thấy đ−ợc nguyên lý hoạt động, ta xét mạch hoạt động của mạch nghịch l−u hình vẽ (hình 1.2a). Đầu vμo của bộ nghịch l−u lμ điện áp xoay chiều một pha, đầu ra lμ một phụ tải một pha thuần trở. Nhóm chuyển mạch nối theo sơ đồ hai pha nửa chu kì. Nhóm chuyển mạch d−ơng đ−ợc kí hiệu bằng chữ P (Position), nhóm âm kí hiệu bằng chữ N (Negative). Dạng sóng dòng điện đ−ợc vẽ nh− hình 1.2b, cụm P chỉ dẫn trong năm nủa chu kì của điện áp, các thyristor đ−ợc mồi không có trễ, điều đó có nghĩa lμ coi P nh− lμ bộ chỉnh l−u diode. Trong năm nửa chu kì sau chỉ có nhóm N dẫn để tổng hợp ra phần điệp áp âm của nửa chu kì điện áp ra. Theo dạng sóng của điện áp biểu diễn trên hình 1.2b thì tần số điện áp ra bằng 1/5 tần số điện áp vμo. Dạng sóng điện áp nμy gần với dạng của sóng điện áp hình chữ nhật vμ có chứa một số l−ợng khá lớn các thμnh phần song hμi. Hình 1.2c biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn vμ dòng điện của nguồn cấp.Ta thấy dòng điện chảy qua van bán dẫn lμ 1/2 sóng hình sin còn dòng điện nguồn cấp lμ hoμn toμn sin. Việc điều khiển các van bán dẫn nh− trên không mang lại hiệu quả cao trong điều khiển, sóng điện áp ra có độ sin không cao. Muốn sóng ra có dạng sin cao phải điều khiển thay đổi khoảng dẫn của các van thay đổi theo một qui luật nhất định. Hình 1.2d biểu gần đúng một sóng hình sin đ−ợc tổng hợp bằng cách điều khiển các thời điểm mồi các thyristor. Ph−ơng pháp nμy cùng với việc điều chỉnh pha lμm giảm các điều hoμ bậc cao của dạng sóng điện áp đầu ra so với dạng sóng điện áp cho tr−ớc. Theo các dạng sóng của dòng điện trên hình 1.2e dòng điện ra mang nhiều thμnh phần đập mạch ứng với tần số nguồn, dòng điện của mạch bị biến dạng nhiều. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 8 Hình 1.1 Bộ nghịch l−u trực tiếp tổng quát 2.1.2. Sự lμm việc của nhóm bị khoá Tronh hình 1.1 vμ 1.2, nếu các van bán dẫn của nhóm P vμ N cùng dẫn sẽ gây ra ngắn mạch nguồn cung cấp. Để tránh hiện t−ợng nμy thông th−ờng ta đặt một cuộn cảm san bằng giữa các nhóm, mục đích chính lμ hạn chế dòng điện vòng hay cần điều khiển sao cho một nhóm không thể dẫn khi nhóm kia còn dẫn. Sự lμm việc không có dòng điện vòng đòi hỏi cấm mồi nhóm nμy khi nhóm kia còn đang dẫn. Sơ đồ chỉ số đập mạch bậc ba đ−ợc biểu diễn trên hình 1.3. Điện áp ra hình sin mong muốn đ−ợc biểu diễn ở một tần số sao cho chu kì ra nhỏ hơn năm chu kì một chút. Các van bán dẫn đ−ợc mồi với góc mở sao cho sóng cơ bản gần sin nhất có thể. Tải lμ một điện trở thuần tuý, điện áp thu đ−ợc bằng 0 trong từng khoảng nhỏ. Với tải điện cảm thì số l−ợng các khoảng điện áp bằng không nμy nhỏ vμ nếu điện cảm đủ lớn thì sẽ không tồn tại khoảng điện áp nμy. Dạng sóng của điện áp âm sẽ có sự sai khác so với nhóm điện áp d−ơng, nguyên nhân chủ yếu lμ do dạng sóng điện áp ra không lμ số nguyên lần sóng đầu vμo. Các chu kì ra liên tiếp bắt đầu ở các thời điểm khác nhau của điện áp vμo. Dòng điện nguồn th−ờng mất đối xứng nghiêm trọng. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 9 Hình 1.2 : Sơ đồ nghịch l−u điểm giữa vμ các dạng sóng Trong nghịch l−u mục tiêu của mọi ph−ơng pháp nghịch l−u lμ tạo ra điện áp ra cμng gần điện áp hình sin cμng tốt vì khi đó tổn hao trong động cơ nhỏ nhất vμ độ chính xác cũng nh− chất l−ợng điều khiển đ−ợc nâng cao. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nghịch l−u PWM 5kW Hoμng Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K46 Đại học Bách khoa Hμ Nội 10 Hình 1.3 : Nghịch l−u trực tiếp có chỉ số đập mạch bậc ba cấp điện cho tải một pha Trong ph−ơng pháp nghịch l−u nμy, muốn có đ−ợc điện áp gần sin nhất c