ứng dụng của điện tử công suất trong điều chỉnh tốc độ động cơ, chương 11 doc

Trang
1
Chương 11: KHẢO SÁT BỘ NGHỊCH LƯU
CẦU MỘT PHA
Bộ nghòch lưu cầu một pha được minh họa hình 9.3.1 các giá
trò trong mạch được cho như sau:
V
S
=100V, L
e
=10mH, R
L
=5, IGBT SWITCHES các diode được
kết nối m=0.4, f=50hz. Ngã ra có 3 xung trong ½ chu kỳ. Điện áp
cực cổng 15V. Mạch điều khiển cực cổng được mô phỏng bởi tín
hiệu sóng tam giác, một tín hiệu chuẩn và một bộ so sánh tương tự
như mạch điều khiển được.
Tiến hành mô phỏng SPICE và vẽ đồ thò cho dòng điện nguồn is.
Dạng sóng điện áp cổng, và điện áp tải và dòng điện với các điều
kiện xác lập và xác đònh.
a. Công suất trung bình phát bởi nguồn.
b. Các sóng hài THD của điện áp tải và dòng điện tải.
c. Giá trò đỉnh dòng điện tải.
Trang
2
Sô ñoà maïch ña xung
Trang
3
*. Chöông trình moâ phoûng baèng PSPICE.
9-3-1.CIR
PWM SINGLE – PHASE INVERTER WITH UNIFORM PULSE

To determine power and harmonic distortion.
. INC OPTIONS;
* PARAMETERS
.PARAM VS=100V;
.PARAM RLOAD=5ohms;
.PARAM LLOAD=10Mh;
.PARAM FREQ=50HZ PERIOD ={1/FREQ};
.PARAM TR=20NS TF = {TR};
.PARAM DUTY=0.4;
.PARAM TON ={PERIOD /2 –2*TR};
.PARAM VP =15V;
.PARAM NUM=3;
.PARAM PER={0,5*PERIOD/NUM};
.PARAM VC=1V;
.PARAM VREF={2*DUTY*VC};
.PARAM DELC ={TR/2};
.PARAM TRC={PER/2-TR};
.PARAM TFC ={TRC};
.PARAM WD={TR};
.PARAM DEL={PERIOD /2};
* SOURCE AND LOAD
VS1 3 0 DC {VS}
RL 4 55 {RLOAD}
LL 55 5 {LLOAD} IC =-9.93A;
RG12 1 0 1E4;
RG34 2 0 1E4
* SUBCICUIT for IGBT MODEL and DIODE
.SUBCKT IG_IDEAL 17 18 19 20;Drain (17) Source (18) Gate
(19,20).
SW 17 18 19 20 MOSIG;

Trang
4
(SPWM 555 DRV 40 41 44
.MODEL MOSIG VSWITCH (RON=1E-3 ROFF=1E6 VON=10
VOFF=1E-3)
.ENDS IG_IDEAL
.SUBCKT D_IDEAL 21 22; ANODE (21);
DIO 21 22 DIODE
.MODEL DIODE D(RS=1m CJO=0.1Pf n=0.001)
.ENDS D_IDEAL
* CALL for IGBTS and diodes.
X SW1 3 4 1 0 IG_IDEAL;
X SW2 5 0 1 0 IG_IDEAL;
X SW3 5 5 2 0 IG_IDEAL;
X SW4 4 0 2 0 IG_IDEAL;
X D1 4 3 D_IDEAL;
X D2 0 5 D_IDEAL;
X D3 5 3 D_IDEAL;
X D4 0 4 D_IDEAL;
* SUBCIRCUIT for IGBT driver.
.SUBCKT MPLS_TR1_INV 15 10 PARAMS; DELAY=0.
* The carrier-wave source.
VCAR 11 10 PULSE ({VC} 0 {DELC} {TRC} {TFC} {WID}
{PER}
VR 12 10 DC {VREF}
* Comparatos output, voltage is clipped between zero and VP.
E 13 10 VALUE ={LIMIT (V(12,11)*1E6,0,VP)}
RE 13 10 1E6
* Frequency generator VG for inverter.
VG 14 10 PULSE (0 1 {DELAY} {TR} {TF} {TON} {PERIOD}

* Gate pulse generator
EG 15 10 VALUE ={V (14,10)*V(13,10)}; pulse in a half cycle
.END S MPLS_TRI_INV
* MPLS (Multiple pulse), TRI (TRIANGLE WAVE) , INV
(INVERTER)
Trang
5
* CALLS for gate drivers.
X DRIVER1 1 0 MPLS_TR1_INV
X DRIVER2 2 0 MPLS_TR1_INV PARAMS :DELAY ={DEL}
* ANALYSIS
.TRAN 40 US 80ms UIC ; TO find initial condition for LL in
steady state
. TRAN 40US 40ms UIC.
. FOUR 50Hz 15 V(4,5) I(RL)
.PROBE I(VS1) V(4,50 I(RL),V(1)
.END
Trang
6
CÁCH GIẢI:
Đây là một bài tập tạo ra một mạch điều khiển phù hợp. mạch
này sẽ phát ra các xung cổng đồng dạng với tần số 300Hz mỗi xung
có chu kỳ làm việc là 0,4m=(t’on /2T’) như hình 9.3.1a. nếu sóng
mang V
C
và tín hiệu chuẩn V
ref
là các ngõ vào của bộ so sánh thì
các xung ở ngõ ra sẽ là xác đònh nếu V
ref

>V
C.
Các xung này tạo
thành một nhóm 3 xung cho mỗi cặp công tắc SW
1
, SW
2,
SW
3
,SW
4
.
Tần số ra của bộ nghòch lưu là f
C
/6. Trong đó f
C
là tần số tín hiệu
sóng mang.
 Cách giải gồm bốn bước:
Bước 1: từ sơ đồ mạch 9.3.1 và các giá trò đã cho. Từ cấu hình
PSPICE sẽ vẽ ra trong hình 9.3.1b.
Bước 2: từ cấu hình PSPICE trong hình 9.3.1b một file mạch viết ra
có tên là W 9-3-1.CIR
Bước 3: mô phỏng PSPICE sẽ được chạy với file 9-3-1.CIR kết quả
sẽ được vẽ ra trong W-9-3-1.DAT.
Bước 4: dùng PROBE các đồ thò được vẽ ra cho dòng điện nguồn
điện áp tải dạng sóng mạch điều khiển cực cổng và dòng điện tải
như hình 9.3.1C. Các dạng sóng này thì nhỏ hơn lý tưởng bởi vì tốc
độ quét ở ngõ ra của bộ so sánh. Tốc độ quét gây ra do một số
trạng thái ổn đònh và độ lớn của các bước trong việc phân tích.

Phần a: Từ đồ thò dòng điện nguồn, giá trò trung bình của dòng điện
nguồn I
SAV
=5,49A. Vì vậy công suất trung bình P phát bởi nguồn là
P=V
S
.I
SAV
=100.5,49=549W.
Phần b: Từ file W-9-3-1.out méo sóng hài dạng sóng ngõ ra được
cho như sau.
Điện áp tải THD=125.9%. Dòng điện tải THD=42,7%
Phần c: từ đồ thò dòng điện tải trong hình W-9-3-1C giá trò đỉnh là
I
MAX
=15,1A.
Trang
7
9.3.3 BỘ NGHỊCH LƯU DÒNG
Bộ nghòch lưu nguồn dòng được dùng để điểu khiển động cơ cảm
ứng. Hình 9.32 chỉ ra sơ đồ mạch đơn giản của bộ nghòch lưu dòng
cầu 1 pha. Cùng với các dạng sóng tín hiệu cổng và dạng sóng
dòng điện tải, nguồn DC được thay thế bằng nguồn dòng không
đổi. Trong thực tế đây là một nguồn điện áp điều chỉnh được mắc
nối tiếp với cuộn cảm có giá trò lớn.
 Sơ đồ bộ nghòch lưu dòng:
Xét một bộ biến tần tuần hoàn một pha. Được minh họa hình 9.3.3.
mạch điện có giá trò như sau:
V
S

=120V (rms) f=150Hz, L
L=0,
R
L
=10
Tần số ra f
0
=50Hzz, góc trễ =0.
Dùng PSPICE mô phỏng và vẽ đồ thò điện áp nguồn và dòng điện
tải.
a. Xác đònh công suất trung bình tiêu thụ bởi tải
b. Các méo sóng hài THD của dạng sóng dòng điện tải.
c. Giá trò hiệu dụng của dòng điện tải. d. Hệ số sóng hài HF bậc
3,5,7,9 của dạng sóng dòng điện.
SW1
Ll
Load
R1
SW2
SW3 SW4
Source
I
T T
T T
Trang
8
d. Sô ñoà maïch ñieän nhö hình 9.3.3
D14 D12
D22
SW13SW11

1M
Rin
SW23
10
RL
D24
SW4
Gate 11
Gate 13
Gate 23
[1]
[1]
[0]
[0]
[0]
[2]
[0]
0
5
Gate 23
[2]
[0]
+
-
+
-
E=A*V(5)
Limit -1,+1
R =1M
E

A=1E9
VG
f
+
-
Ep=Vp*V(8)*V(9)
Rgp=1M
EN=Vp*(1-V(8))*V(9)
RgN=1M
8 8 [1] [2]
Gate for SW23,SW21Gate for SW12,SW13
PULSE VCVS
[0]
[0]
Source
Converter P Converter Na[6]
VS1=120V(rm s )
180Hz
SIN
Driver
Trang
9
* Chöông trình moâ phoûng.
W 9-3-3.CIR
SINGLE-PHASE CYCLOCONVERTER WITHOUT
MODULATION
* To determine the performanece without voltage modulation.
.INC OPTIONS
*PARAMETERS
. PARAM VS=120v VMAX={ORT(2)*VS};

.PARAM FREQ=150HZ PERIOD={1/FREQ};
.PARAM NUM=3 FREQC={FREQ/NUM};
.PARAM PERC ={1/FREQC};
.PARAM VP=15V;
.PARAM RLOAD=10ohms;
* SOURCE and LOAD
VS1 5 0 SIN (0{VMA}{FREQ})
RL 6 7 {RLOAD}
RIN 5 0 1E6;
* CONVERTER SUBCIRCUITS
.SUBCKT SW-IDEAL 17 18 19 20;
SW 17 18 19 20 THY;
.MODEL THY VSWITCH (RON=1E-3 ROFF=1E6 VON=10
VOFF=1E-3)
.ENDS SW_IDEAL
.SUBCKT D_IDEAL 21 22;
DIO 21 22 DIODE
.MODEL DIODE D(RS=1m CJO=0.1Pf N=0.001)
.ENDS D_IDEAL
* CALLS for SWITCHES and DIODES for half-controlled
converter.
XS11 5 6 1 0 SW_IDEAL;
XS13 0 6 0 1 SW_IDEAL;
XS23 0 7 0 2 SW_IDEAL;
XS21 5 7 2 0 SW_IDEAL;
Trang
10
XD 14 7 5 D_IDEAL
XD 12 7 0 D_IDEAL
XD 22 6 0 D_IDEAL

XD 24 6 5 D_IDEAL
 Driver circuits
E 8 0 value={LIMIT(VC5)*1E(9)-1,1)};
RE 8 0 1E6
VG 9 0 PULSES (0 1 0 5ns 5ns {PERC/2-10ns}{PERC})
* VG Seperates paid N gate signals into the trwo seperate half
cycles.
EP 1 0 VALUE={VP*V(8)*V(9)};
EN 2 0 VALUE={VP*(1-V(9))*V(8)};
* ANALYSIS
.TRAN 20us 20ms 0 40us UIC; TMAX=40us for a clean SIN
wave
.FOUR 50hz 15 I(RL)
.PROBE V(5) i(RL)
.END
Trang
11
CÁCH GIẢI.
Cũng tương tự như 9.3.1 và 9.3.2
Gồm 4 bước như sau:
Bùc 1: Từ các dữ liệu và hình 93.3 chúng ta có thể vẽ ra cấu hình
của SPICE phù hợp với bộ biến tần tuần hoàn. Xem hình 9.33a. Khi
tải là trở kháng Thyristor có thể dùng kiểu đóng ngắt để điều khiển
điện áp với điện áp điều khiển (tín hiệu cổng) được áp đặt vào
cũng như thời gian dẫn là cần thiết.
Bước 2: từ hình 9.3.3 và hình W.9.3.3a ta thành lập 1 file cho mạch
đặt tên là w-9-3-3.CIR.
Bước 3: Chương trình mô phỏng SPICE có thể chạy với file mạch w
9-3-3.CIR.
Bước 4: dùng PROBE với file dữ liệu W 9-3-3.DAT. Đồ thò nguồn

áp tại 150Hz và dòng tải tại 50Hz có thể được vẽ ra xem hình
9.3.3b.
A single phase cyclo converter without modulation.
Phần a :công suất trung bình P tiêu thụ bởi tải là:
P=I
2
l
rsm
.R
L
=10.90
2
.10=1187W
Phần b: Từ các ngõ ra của file W 9-3-3.OUT méo dạng sóng hài
THD của dạng sóng dòng điện tải THD=67.82%
Phần c: từ file W 9-3-3.OUT I
LRMS
=9.01A.
Phần d: Từ HF
n
=I
ln
/I
4
. Từ các ngõ ra file W 9-3-3.OUT Cho các dữ
liệu như HF
3
=0,403 HF
5
=05, HF

7
=0,2 HF
9
=0.
III.4 XÉT MẠCH ỔN ÁP:
Ổn áp AC: mạch công suất để ổn áp AC thì tương tự như là
mạch (Chopper DC). Trong trường hợp này tần số đóng mở của
mạch chopper sẽ bằng hai lần tần số của nguồn điện áp.
2.4.1 Khảo sát mạch như hình 2.4.1.a Mục đích của mạch là
để điều khiển công suất tải bằng cách điều chỉnh giá trò hiệu dụng
của điện áp AC đặt trên tải. Các công tắc SW điều khiển Point-On-
Wave để cho điện áp vào V
S
=240sin314t(11) xuất hiện ở các đầu
ra điện trở tải R
L
=10. Dùng SPICE và PROBE để vẽ đồ thò dòng
Trang
12
điện ra i
L
với góc kích  từ 0-1 rad cùng với góc mở là  và được
lặp lại ở mỗi nửa chu kỳ điện áp vào.
Sơ đồ mạch ổn áp như sau.
+
-
+
VS30=240Sin314t
DC
-

[2]
[0]
[3]
i(Rl32)
Chopper
Switch
[1]
Switch Voltage
control
N
+
Sub circuit V-cont
CN
+
N
-
CN
-
VSW20
Puled
control
voltage
R10=1
SW20
Rl32=10
(RLoad)
Trang
13
*Chöông trình moâ phoûng baèng SPICE.
*W.2-4-1.CIR

AC –VOLTAGE REGULATOR.
*determine current responss for different values of firing angle
ALFA.
*This regulator use a voltage-controlled switch as an ac chopper.
*Include the power-electrotide library and define parameters.
.LIB POWER.LIB
.OPTIONS NOPAGE REL TOL=0.01
* PARAMETERS
.PARAM FRE=50Hz;
.PARAM RLOAD=10ohms;
.PARAM PI=3.14159 TWOPI={2*PI};
.PARAM ALFA=0 rad;
.PARAM DELAY={ALFA/(TWOPI*FRE)};
.PARAM VRMS=240v, VMAX={SQRT(2)*VRMS};
.PARAM PERIOD ={1/FRE};
* SOURCE, a sinusoidal voltage in the power circuit.
VS30 3 0 SIN (0{VMAX} {FRE});
* Call a subcircuit named V-cont from the library file.
XCONT 1 0 V-CONT;
* DEVICE
SW20 2 0 1 0 SWITCH;
* CIRCUIT ELEMENT
RL32 3 2 {RLOAD};
* Perform a multiple run for differrent values of firing angle.
.STEP PARAM ALFA LIST 0 1; =0rad =1 rad
* ANALYSIS; Transient to view the load current.
.TRAN 20us 20ms; TSTEP =20us, TSTOP=1.5cycles.
* OUTPUT
.PROBE i(RL32);
.END

Trang
14
Hình 241 a minh họa mạch bao gồm một nguồn ổn áp thay đổi
V
S
một điện trở tải R
L
và một mạch điện tử công suất để điều khiển
công suất tải. Mạch điện tử công suất là mạch đóng ngắt điều
khiển điện áp có thời gian on và off bằng nhau trong mỗi chu kỳ
dạng sóng của nguồn các điểm on cũng có thể điều chỉnh được.
Hoạt động đóng ngắt điều khiển điện áp được điều khiển bởi
nguồn điện áp V
C
phát ra từ một nguồn với các xung tuần hoàn chu
kỳ bằng một nửa của nguồn cung cấp. Nếu điện áp điều khiển là
V
C
=V
ON
thì công tắc ở trạng thái ON. Nếu điện áp điểu khiển
V
C
=V
OFF
thì công tắc ở trạng thái OFF. Hình 241b chỉ ra một dạng
sóng điện áp với góc trễ (+n) để mở công tắc và góc n cho
công tắc đóng. Các số nguyên n=1,2,3 có thể thấy từ hình 241b
và giá trò hiệu dụng của điện áp tải V
L

được điều chỉnh bằng cách
thay đổi góc kích . Trong phạm vi từ 0 =<=<. Điện áp tải thay
đổi từ V
m
/ xuống không.