thiết kế bộ biến tần truyền thông ba pha điều khiển động cơ, chương 15 pptx

chương 15:
Miêu tả chân IRAMS10UP60A
Hình (1-4): Bảng miều tả chân IRAMX16UP60A
2.1. Tính chọn tụ boostrap
IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET,
nên yêu cầu điện áp phải có mặt liên tục trên cực điều khiển và
emitter để xác định chế độ khóa, mở. Đối với IGBT phía cao trong
một kênh của bộ nghịch lưu, điện áp tại chân emitter luôn thay đổi
thường l
à giữa đất và điện áp dương của nguồn một chiều. Do đó
cần phải tạo ra một nguồn điện áp trôi cho mạch lái phía cao để
điều khiển cực cửa của IGBT trong khi tín hiệu điều khiển từ vi xử
lý chỉ có mức điện áp +5V so với đất. Có nhiều phương pháp để
thực hiện điều này một trong những cách đó la sử dụng mạch
boostrap. Mạch boostrap bao gồm một điện trở và một tụ điện
được nối theo sơ đồ như h
ình (1-5). Phương pháp này có ưu điểm
là giá thành thấp và dễ thực hiện nhưng bị hạn chế bởi yêu cầu xả
điện tích tr
ên tụ boostrap.
Hình (1-5): Sơ đồ mạch boostrap
Điện áp V
bs
(điện áp giữa chân V
b
và V
s
của IC) cấp nguồn cho
mạch kích phía cao của IC. Điện áp này đòi hỏi phải được giữ ở
trong khoảng từ 10V đến 20V để mở hoàn toàn van công suất. Một
số IC của Interational Rectifier tích hợp cả mạch dò điện áp thấp

đối với V
bs
để đảm bảo rằng IC sẽ không xuất tín hiệu điều khiển
nếu điện áp V
bs
thấp hơn giá trị nào đó (được quy định trong
datasheet). Điều này ngăn không cho van công suất hoạt động
trong chế độ quá tải.
Nguyên lý hoạt động như sau: khi IGBT phía thấp mở, tụ C
bs
nạp điện qua diode D
bs
, điện trở R
bs
và van S
2
tới gần giá trị 15V,
vì điện thế chân V
s
gần như bằng 0. Tụ C
bs
được chọn sao cho giữ
được hầu hết điện tích khi IGBT phía thấp khóa lại v
à V
s
đạt đến
gần giá trị điện áp dây. Sau đó, V
bs
xấp xỉ 15V, mạch phía cao của
IC lái được phân cực bởi tụ C

bs
. Việc lựa chọn tụ, diode và điện trở
phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Điện áp V
bs
phải được duy trì ở giá trị lớn hơn điện áp khóa
(under-voltage lockout) của IC điều khiển.
- C
bs
không nạp đến chính xác 15V khi van phía dưới mở do
điện áp sụt r
ên diode V
bs
(V
fbs
) và điện áp V
ceon
của S
2
.
- Khi van phía trên m
ở, tụ xả điện chủ yế bằng những cơ chế
sau:
+
Điện tích Q
g
cho việc mở van phía trên.
+ Dòng
điện tĩnh (quiscient current) I
qbs

cho mạch phía
trên của IC.
+ Điện tích dịch mức (level-shift) Q
LS
yêu cầu bởi mạch
dịch mức (level-shifters) trong IC.
+ Dòng
điện rò (leakage current) I
dl
trên diode boostrap
D
bs
.
+ Dòn điện rò trên tụ I
cbs
(bỏ qua nếu dùng tụ
nonelctrolytic)
+
Điện tích phục hồi đảo diode boostrap Q
rrbs
.
Giá tr
ị tụ boostrap theo tài liệu của nhà sản xuất được tính theo
công thức sau:
 
QBS
DL
g RSBS LS
sw sw
FBS CEON(Sc )c 2

I
I
Q Q
f f
C
0,01 V
Q
V V
  

 

(1-7)
Trong đó:
Q
g
- điện tích cực cửa cho viêc mở IGBT
Q
RRBS
- điện tích phục hồi đảo diode boostrap
I
QBS
- dòng điện tĩnh mạch lái phía cao của IC
Q
LS
- điện tích dịch mức bởi bộ dịch mức trong IC
I
DL
- dòng điện rò trên diode
f

sw
- tần số băm xung
V
cc
- điện áp nguồn cho mạch kích phía cao
V
FBS
- điện áp rơi trên diode
V
CEON(S2)
- điện ráp giữa cực C và cực E khi IGBT phía
thấp dẫn
Các thông số trên có thể tra trong datasheet của nhà sản xuất.
Với tần số băm xung f
sw
= 5,2kHZ, em chọn giá trị tụ boostrap C
bs
= 10μF.
3. Thiết kế mạch theo dõi dòng điện
Cực emitter của các IGBT phía thấp trong module
IRAMX16UP60A không được nối với nhau cho phép vi điều khiển
hay DSP có thể theo dõi nhiệt độ trong mỗi pha bằng các điện trở
cả biến dòng mắc trên mỗi pha. Mục đích của sự lưu ý này là chỉ ra
một giải pháp riêng cho việc cung cấp phản hồi dòng cho bộ A/D
trong sơ đồ hệ thống.
Khi điện trở shunt được mắc v
ào mạch nối giữa cực emitter của
IGBT và cực âm của nguồn một chiều (V-), dòng điện được cảm
ứng tr
ên mỗi pha. Hình sau chỉ ra một sơ đồ điển hình.

Hình (1-6): Sơ đồ mắc điện trở shunt
Tín hiệu điện áp được thao tác dễ dàng hơn so với tín hiệu dòng
điện, do dó điện trở shunt làm việc giống như một bộ chuyển đổi
dòng điện sang điện áp.
Trong nhưng ứng dụng điều khiển động cơ đặc trưng, điện áp
trên điện trở shunt có thể âm hoặc dương so với điểm đất (V
-). Bộ
A/D lại chỉ được phép lấy đầu vào tín hiệu dương. Đây là một hạn
chế lớn và không cho phép người sử dụng có thể sử dụng trực tiếp
thông tin từ điện trở shunt.
Tín hiệu từ điện trở shunt phải tương thích với đầu vào động của
bộ A/D. Nó cần phải được lệch đi một giá trị thích hợp.
Một mạch như vậy có thể tham khảo trong tài liệu của nhà sản
xuất như sau:
Hình (1-7): Sơ đồ mạch phản hồi dòng
Đó là một bộ khuếch đại điện áp hai đầu vào. Để so thể đơn
giản hóa biểu thức liên hệ giữa đầu ra và đầu vào, ta đưa ra sử
dụng một số giả thiết, kết quả thu được công thức sau:
b 3
out d r
a 3 4
R R
V
R R
V V
R
 

(1-8)
Trong đó, V

d
là tín hiệu đầu vào hay chính là điện áp rơi trên
điện trở shunt, R
b
= R
5
và R
a
= R
2
xác định hệ số khuếch đại áp, V
r
và tỉ số R
3
/(R
3
+ R
4
) thiết lập độ lệch đầu vào.
M
ạch theo dõi dòng điện có sơ đồ như hình sau ():
Hình (1-8): Sơ đồ nguyên lý mạch phản hồi dòng
Biên độ điện áp trên điện trở shunt phụ thuộc vào giá trị điện trở
và dòng điện lớn nhất cho phép. Theo datasheet của
IRAMX16UP60A, ta có dòng điện lớn nhất cho phép là 16A. Theo
khuy
ến cáo trong tài liệu của nhà sản xuất, người thiết kế phải
cung cấp một mạch ngoài cấp tín hiệu vào trân T/Itrip để tắt hệ
thống nhanh nhất có thể khi giá trị dòng điện đạt gần đến giá trị lớn
nhất cho phép. Vòng bảo vệ phải tắt hệ thống nhanh hơn 10μs nếu

không IGBT sẽ bị phá hủy.
Từ công thức (1-8) ta tính được:
3 a
dmax outM r
3 4 b
R R 100k 2,49k
V V V
R R 100k 100k 49,9k
5V 5V 0,125V
R
 
 
 
 
 
 
  
 
  
 
 
(1-9)
3 a
dmax outm r
3 4 b
R R 100k 2,49k
V V V
R R 100k 100k 4
0V 5V 0,125V
R 9,9k

 
   
 

 
 
 
 
 
   
 
(1-10)
Cho phép dòng
điện lớn nhất là 12,5A, ta tính được giá trị của
điện trở shunt như sau:
d
SHUNT
LEG
V
0,125V
R
I 12
10
,5A
m
 

(1-11)