Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
Bài tập 9: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha
có công
suất
5kVA làm việc chế độ chỉnh lưu tích
cực
Tham số sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba
pha
Lượng đặt điện áp một chiều trên tụ
U
dc
=
700V
Tham số điện cảm phía
lưới
L
s
=
2mH
Tần số phát xung mạch nghịch
lưu
5kHz
380V /
50Hz
Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha làm việc chế độ chỉnh lưu tích
cực
Yêu
cầu:
1. Tính chọn mạch
lực
2. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vector không

gian.
3. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vector
dòng điện i
s
(lựa
chọn điều khiển theo cấu trúc PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ hoặc PI
trên hệ tọa độ quay dq)
.
4. Tổng hợp mạch vòng điện áp
U
dc
5. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả thiết
kế.
2
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
ĐỀ TÀI: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba
pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực
I. Tính chọn mạch lực
1. Tính toán chọn van IGBT
a) Điện áp lớn nhất đặt lên van U
Vmax
Xét tại thời điểm van V
1
mở,van V
4
dẫn:
Cực C của V
1
nối với cực dương của nguồn V
g

Van V
4
thông nối cực E của V
1
với cực âm của nguồn V
g
U
Vmax
= V
g
= . U
dm
= . 380 = 1074,8 V
Trong đó q là hệ số biến điệu ( 0 < q < 0,866)
b) Dòng điện trung bình qua van
Với S = 3U.I => I = = = 4,386 (A)
Trong chế độ định mức có:
Z
dm
= = 86,64 Ω
X
L
= L =314. 0,002 = 0,628 Ω⍵
� = arcsin = 0°24
 R
tdm
= z.cos� = 86,64 . 0,9999 = 86,63 Ω
Biểu thức dòng điện trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:
I
V

=
Rút gọn ta được :
I
V
= (1 + cos)
Dòng trung bình qua van là :
I
V
= (1 + cos) = (1 + cos) = 1,4 A
 Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là :
U
Vdm
= k
u
. U
Vmax
=1,4. 1074,8 = 1504,72 (V) ≈ 1505 V
I
Vdm
= k
I
. I
Vmax
= 5. 1,4 = 7A
Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT loại đơn BSM200GA170DLC với các
thông số chính sau:
U
cemax
= 1700 V
2

Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
I
C
= 200 A
2. Tính chọn điot
a) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U
Dngmax
Xét thời điểm van V
1
, D
4
khóa và V
4
, D
1
thông:
Cực anode của D
4
được nối với cực âm của V
g
.Cực Kathode của D
4
do van D
1
thông nên nối với cực dương của V
g
. Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van
U
Dngmax
= V

g
b) Dòng điện trung bình đi qua Diode I
D
Biểu thức dòng điện trung bình đi qua diode trong một chu kỳ điện áp ra là:
I
D
= sin(dƟ
Dòng trung bình qua van là :
I
D
= (1 - cos) = I
D
= (1 - cos) = 0,00007 A
Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:
U
Ddm
= k
u
. U
Dngmax
= 1,1. 1074,8 = 1182,28 V
I
Ddm
= k
I
. I
Dngmax
= 5. 0,00007= 0,00035 A
Từ hai thông số trên ta chọn Diode BYX38 có các thông số cơ bản sau:
I = 6 A

U
ngmax
= 1200 V
3. Gía trị tụ điện
C
max
= 1,3 . = 1,3 . = 0,54.10
-6
F= 0,54 µF
Chọn tụ C = 0,6 µF
II. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vecto không
gian
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng 6 khóa transitor công suất
:
2
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
Hình 2.1. Sơ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3
pha
Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu
được
xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0
đến
Hình 2.2. Trạng thái đóng ngắt các khóa bộn nghịch
lưu
2
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất

Bảng tóm tắt
:
Vector

điện
áp
Trạng thái của
khóa
Điện áp
pha
Điện áp
dây
Q1
Q3
Q5
Uan
Ubn
Ucn
Uab
Ubc
Uca
U0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
U1
1
0

0
2/3
-1/3
-1/3
1
0
-1
U2
1
1
0
1/3
1/3
-2/3
0
1
-1
U3
0
1
0
-1/3
2/3
-1/3
-1
1
0
U4
0
1

1
-2/3
1/3
1/3
-1
0
1
U5
0
0
1
-1/3
-1/3
2/3
0
-1
1
U6
1
0
1
1/3
-2/3
1/3
1
-1
0
U7
1
1

1
0
0
0
0
0
0
Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với
VDC
Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình
sau:
u
a
(
t
)
+
u
b
(
t
)
+
u
c
(
t
)
=
0

(2.12)
Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển
sang
hệ tọa độ 2 chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương trình trên
dưới dạng
3
vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x, vector [0 ub 0]T lệch một
góc 120o và vector
[0
0 uc]T lệch một góc 240o so với trục x như hình sau
đây.
Hình 2.3. Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ
x-y
2
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
2
Từ đó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa
độ
phức như
sau
(
)
+
Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu ở trạng thái đầu U1
:
Ta có: Ua= 2/3 Vdc ; Ub=Uc= -1/3
Vdc
Xét trên hệ tọa độ α
−
β : trong đó Us

=
U1
=
K
*
(Ua
+
Ub
+
Uc) ; K=2/3 là
hệ
số
biên
hình
Hình 2.4. Vector điện áp U1 trên tọa độ α
−
β
+ Tương tự như vậy với các vector U2-> U6 , ta có giản đồ
sau:
Hình 2.5. Vector điện áp V1(U1)->V6(U6) trên giản đồ α
−
β
+ Ngoài ra , chúng ta còn 2 trường hợp đặc biệt là vector U0 =U7=
0

　　　　　　　　　　　　 Hình 2.6. U7 &
U0
Ý tưởng của việc điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển
liên
tục

của vector không gian tương đương của vector điện áp bộ nghịch lưu
trên quỹ
đạo
đường tròn, tương tự như trường hợp của vector không gian của
đại lượng 3
pha
hình sin tạo được. Với sự dịch chuyển của đều đặn của vector
không gian trên
quỹ
đạo tròn các sóng hài bậc cao được loại bỏ và biên độ
áp ra trở nên tuyến
tính.
Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình
trong thời gian một chu kỳ
lấy
mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu
áp
Hình 2.7. Vector Vs trên hệ trục α
−
β
Hình 2.8. Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng Hình
2.11
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
Hình 2.9. Vs ở sector
1
Xét góc 1 phần 6 của hình lục giác được xác định bằng đỉnh của 3 vector U
1
.U
2
,U

0-7

Giả sử trong thời gian Ts, ta cho tác dụng vecto U
1
trong khoảng thời gian T
A
, vecto U
2

trong khoảng thời gian T
B,
U
0-7
trong khoảng thời gian T-T
A
-T
B.
Vector tương đương được tính bằng vector trung bình của chuỗi tác động liên tiếp

Trong đó điện áp pha Vs=Us điên áp pha ngõ ra của Ua, Ub, Uc
Chiếu phương trình vecto Vs và dùng công thức Ts, tỉ số m:
10
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất

11
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
Như vậy vector trung bình ( Us) được điều khiển theo quỹ đạo đường
tròn.
Chiều quay có thể thuận hay nghịch theo chiều kim đông hồ. Đường tròn nội
tiếp

hình lục giác là quỹ đạo của vector ko gian lớn nhất mà phương pháp
điều
chế
vector không gian của bộ nghịch lưu áp hai bậc có thể đạt được trong
phạm vi
điều
khiển tuyến tính. Bán kính đường tròn này chính bằng biên độ
thành phần cơ
bản
điện áp (pha)
tải, với Udc=700V
　　　　　　　　
III.Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vecto dòng
điện i
s

　Thiết kề bộđiều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ
Do lượng đặt dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ có dạng hình sin với tần số bằng ω
s
(tần
số cơ bản dòng điện hình sin), ta sẽ sử dụng cấu trúc điều chỉnh kiểu cộng hưởng (PR) có
tần số cộng hưởng ω
0
=ω
s
để giải quyết vấn đề này.
G
c
(s) = K
p

+
Phương thức thiết kế bộđiều chỉnh này được thiết kế trên miền tần số, trên cơ sở lựa
chọn băng thông (bandwidth) cho hàm truyền hệ thống kín . Thông thường, băng thông
được lựa chọn trong khoảng 10 lần tần số cơ bản và 1/10 tần số phát xung vào mạch
nghịch lưu đểđảm bảo hệ thống có đáp ứng động học đủ nhanh và ổn định.
12
Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất
Hàm truyền kín mạch vòng dòng điện
G
PR
(s) = =
13