Thiết kế bộ biến tần một pha sử dụng phương pháp điều chế dộ rộng xung PWM https://goo.gl/xKLJ1i

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của
các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình
biến đổi điện năng.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết
bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh
vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt,
sợi, đóng tàu….. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công
nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là những minh
chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí
nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ
sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em
được làm đồ án môn học điện tử công suất.
Nhiệm vụ: ” ThiÕt kÕ vµ m« pháng biÕn tÇn cÇu 1 pha.”.
Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất
định, em mong được sự góp ý của thầy, cô. Cuối cùng em xin chân thành cảm
ơn Thầy cô trong khoa, đặc biệt TS. Nguyễn Hoàng Mai đã giúp em hoàn
thành đồ án môn học này.

Đà Nẵng, ngày 17 tháng 11 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Hoàng Thanh Tú

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 1


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

MỤC LỤC

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 2

GVHD: TS.


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN
1.1.1 Bộ nghịch lưu
Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một
chiều thành năng lượng dòng điện xoay chiều với tần số ra cố định hoặc thay
đổi.

PDC

NGHỊCH LƯU

f=0

ĐỘC LẬP

PAC
f=var

f=const
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu
phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng lượng điện
xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số
không thể thay đồi của lưới điện. Hơn nữa sự hoạt động của nghịch lưu này phải
phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α
đuợc xác định theo tần sổ và pha của lưới xoay chiều đó.
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết
định và có thể thay đổi tuỳ ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được phân thành ba loại:
1. NLĐL điện áp: cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện
áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép
còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố

PDC

̴

f=0

E

PAC

NLĐL
Uac

̴

f≠0

NLĐL điện áp

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 3

Tải


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

2 NLĐL dòng điện: cho phép biến nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng
điện xoay chiều.
PDC

̴

f=0

PAC
NLĐL

I

Iac

̴

Tải

f≠0

NLĐL dòng điện

3 NLĐL cộng hưởng: có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch
vòng dao động cộng hưởng RLC.
Tải của NLĐL lả thiết bị điện xoay chiều có thể là một pha hay ba pha,
do đó NLĐL cũng được chế tạo hai dạng NLĐL một pha và NLĐL ba pha.
Van bán dẫn sử dụng trong NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu:
Với NLĐL điện áp, van hoạt động dưới tác động của sức điện động
một chiều E, điều này tương tự như van trong băm xung một chiều, vì vậy
thích hợp phải là van điêu khiên hoàn toàn: các loại transistor BT,
MOSFET, IGBT hay GTO.
Với NLĐL dòng điện và NLĐL cộng hưởng, do tính chất mạch cho
phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường được
dùng.
1.1.2 Bộ biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều tần số này sang
năng lượng dòng điện xoay chiều tẩn số khác.

PAC
U1, f1,m1

SVTH: Hoàng Thanh Tú

BIẾN TẦN

PDC
U2,f2,m2

Trang 4


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

1.1.2.1 Biến tần gián tiếp
PAC

PDC
CHỈNH LƯU

PDC

PAC

LỌC MỘT CHIỀU

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

U1, f1,m1

U 2,f2,m2

Cấu trúc thông dụng của biến tần gián tiếp như hình, qua đây ta thấy để tạo
ra nguồn xoay chiều tần số khác với đầu vào phải tiến hành hai quá trình biến
đổi năng lượng; chỉnh lưu biến năng lượng xoay chiều về một chiều, sau đó là
nghịch lưu để biến đổi ngược lại. Biến tần này còn được gọi là biến tần cỏ khâu
trung gian một chiều theo sơ đồ cẩu trúc biến đổi năng lượng. Việc sử dụng
NLĐL làm bộ biến đổi tần số đầu ra cho phép biến tần loại này cỏ khả năng
thay đổi tẩn số trong phạm vi rộng và độc lập, đây là ưu điểm chủ yếu đem đến
ứng dụng rất rộng rãi cùa nó trong thực tế hiện nay. Nhược điểm cơ bản của
biến tần gián tiếp là hiệu suất không thật cao do chính quá trình biến đổi năng
lượng hai lần.
Khối chỉnh lưu trong biến tần gián tiếp có thế là chỉnh lưu điều khiển
hay không điều khiến tuỳ thuộc vào loại nghịch lưu độc lập được dùng và
công suất tải.
a. Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập điện áp:
đòi hỏi nguồn một chiều có độ đập mạch nhỏ và ổn định, vì vậy thường
dùng chỉnh lưu điốt với khâu lọc một chiều kiểu C hoặc lọc LC và cỏ cấu trúc
như hình, chỉnh lưu điều khiển ít dùng do độ đập mạch điện áp xấu đi nhiều
(tăng mạnh) khi điều chỉnh giảm điện áp một chiều.

PAC
U1, f1,m1

PDC

P DC

PDC

PAC

CHỈNH LƯU

LỌC MỘT CHIỀU

NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

ĐIỐT

(C ; LC)

ĐIỆN ÁP

LỌC TẦN SỐ
2 2
2

U , f ,m

• Với cấu trúc này, mạch điều khiển chỉ tác động duy nhất vào khối nghịch
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 5


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

lưu độc lập điện áp để đảm bảo cả yêu cầu về tần số và điện áp ra tải, do
đó mạch điều khiển khá phức tạp. Với tải công suất trung bình và lớn phải
dùng chinh lưu cầu nhiều pha: m2=6,12 ... để vừa giảm hệ số đập mạch và
không cần tụ lọc lớn, vừa cải thiện đáng kể hệ số méo của dòng điện tiêu
thụ từ lưới xoay chiều.
• Với tải công suất không lớn, nhiệm vụ điều chỉnh và ổn định điện áp ra có
thể thông qua điều khiển diện áp một chiều bằng cách đưa thêm vào bộ
băm xung một chiều sau chỉnh lưu điôt và lọc. Đôi khi băm xung một
chiều còn dùng đế tăng điện áp (băm xung kiểu song song) cho trường
hợp nguồn xoay chiều thấp hơn giá trị cần có
b. Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập dòng điện:
đòi hỏi nguồn dòng một chiều, trong khi đó sau chỉnh lưu chỉ cho phép
nhận được điện áp chứ không phải dòng, vì vậy để chuyển đổi thành
nguồn dòng buộc phải thực hiện đồng thời hai biện pháp:
• Sử dụng lọc điện cảm với giá trị lớn để làm độ đập mạch dòng
điện nhỏ, tương ứng dòng không đổi tức là có nguồn dòng. Tuy
nhiên điện cảm lọc không cho phép ổn định và điểu chỉnh dòng
ra, do đó cần biện pháp thứ hai.
• Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnh
lưu theo các biến động tải và nguồn bằng hệ thống kín với phản
hồi dòng điện để đảm bảo vừa điểu chỉnh dòng theo yêu cầu
công nghệ, vừa ổn định dòng chống các biến động này.

PAC

CHỈNH LƯU

PAC

P

AC
LỌC MỘT
CHIỀU
(L)

PNGHỊCH
AC
LƯU
ĐỘC LẬP

TẢI

U2, f2,
m2
Như vậy biến tần dùng nghịch lưu dòng điện có cấu trúc như trên
U1, f1,m1

ĐIỀU KHIỂN

DÒNG ĐIỆN

hình. Trạng thái không tải với nguồn dòng là cấm (trạng thái sự cố)

nên biến tần này chỉ được hoạt động khi đà nối tải.

c. Biến tần gián tiếp sử dụng nghịch lưu độc lập cộng hưởng:

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 6


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

có thể hoạt động với nguồn áp hay nguồn dòng nhưng nói chung
thường sử dụng chỉnh lưu điều khiển. NLĐL cộng hưởng hay ứng
dụng cho thiết bị gia nhiệt tần số nên thường chỉ sử dụng loại một pha.
1.1.2.2 Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau:
• Dùng hai bộ chỉnh lưu cùng loại, đầu ra đấu ngược cực tính.
• Mỗi bộ chỉnh lưu đảm nhận một dấu của điện áp ra và cho hai bộ chạy lần
lượt sẽ tạo thành điện áp hai dấu (xoay chiều) ở đầu ra.
Sử dụng nguyên tắc này sẽ đạt hiệu suất cao vì không cần biến đổi năng lượng
hai lần, tuy nhiên loại này có một số nhược điểm như: tần số ra phụ thuộc tần số
nguồn; điều chỉnh tần số trơn khá khỏ khăn, số lượng van lớn, nếu muốn đạt chỉ
tiêu chất lượng tốt như biến tần gián tiếp thì toàn hệ thống (cả lực và điều khiển)
đều phức tạp.
NLĐL và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp
điện, các hệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều, truyền tải điện năng
HVDC, luyện kim, các bộ biến đối cho các nguồn năng lượng mới.

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 7


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

1.2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA
1.2.1 Nguyên lý hoạt động và các tham số cơ bản
NLĐL điện áp một pha có thể dùng sơ đồ cầu, bán cầu hay tia, Tuy nhiên
dạng điện áp ra là như nhau nên ta chỉ xét sơ đồ cầu.

NLĐL điện áp 1 pha sơ đồ cầu
Các van hoạt động theo cặp T1, T2 và T3,T4; hai cặp van dẫn khoảng thời
gian như nhau và bằng một nửa chu kỳ của điện áp ra. Điện áp ra có dạng
xung chữ nhật với giá trị ±E. Điện áp ra này thoả mãn các điều kiện của
một điện áp xoay chiều tuần hoàn là:
• Điện áp ra có hai dấu dương và âm;
• Giá trị trung bình bằng không;
• Sau một nửa chu kỳ có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu: u(t) = u(t + T/2);
• Sau một chu kỳ lặp lại trạng thái: u (t) = u(t + T).

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 8

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Tuy nhiên điện áp này không phải hình sin, ngoài thành phần cơ bản u, i
có chu kỳ bằng chu kỳ điều khiển còn có các sóng hài bậc cao.
Biểu thức chung của sóng hài

Như vậy để có điện áp hình sin cần chọn ra, lọc ra tần số mong muốn do
đó đầu ra của NLĐL điện áp có bộ lọc tần số. Để đánh giá dạng điện áp ra
khác đi (méo) so với hình sin mong muốn cần sử dụng các tham số sau:
1. Hệ số sóng hài bậc k , là tỉ số giữa trị số hiệu dụng sóng hài bậc k
với sóng hài cơ bản:
(1.2)
2. Hệ sô méo bậc k (Distortion Factor k-harmonic):
(1.3)
3. Hệ sổ méo (Distortion Factor):

4. Hệ số méo tổng (Total Harmonic Distortion-THD):
(1.5)
Ảnh hưởng lớn nhất đến dạng sin của điện áp ra là sóng hải gần nhất với sóng
cơ bản, vì vậy trong phân tích thường chú ý chủ yếu đến sóng hài bậc thấp nhất
này, gọi là LOH (Lowest - Order Harmonic). Các sóng hài cỏ biên độ nhỏ hơn
3% biên độ sóng hài cơ bản (HFk < 0,03) được bỏ qua không xét đến ngay
cả với LOH, lúc đó coi điện áp ra là hinh sin hoàn chỉnh không méo.
Việc phân tích tính toán qui luật dòng điện chính xác có thể thực hiện,
song sẽ cho các biểu thức phức tạp, do đó thực tế thường đơn giản hoá, ở NLĐL
điện áp sử dụng phương pháp “sóng hài cơ bản”. Trong phương pháp này coi

rằng điện áp ra chỉ chửa một thành phần cơ bản bậc một (u1) và do đó nó là hình
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 9


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

sin hoàn chỉnh, nhờ vậy có thề giải mạch theo cách Giải: mạch điện hình sin
quen thuộc. Theo (1.1) có điện áp cơ bản với k =1:

Dưới tác động của điện áp này dòng tải cũng biến thiên hình sin với qui luật:

(1.7)
trong đó:

,
(1.6)

π

2π

Dạng biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực và theo phương pháp sóng hài cơ bản

Dạng biến thiên của điện áp ra, dòng ra thực và theo phương pháp sóng hài cơ
bản trình bày trên hình, qua đó có thể thấy điểm dòng điện thực qua điểm không

cũng gần với trường hợp khi coi dòng điện là hình sin. Từ đây dễ dàng xác định
được dòng trung bình qua các van, các transistor dẫn dòng như nhau và các điôt
cũng vậy:

(1.8)

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 10


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Quá trình năng lượng cho thấy:
•
Khi transistor dẫn nguồn E cấp năng lượng ra tải.
•
Khi điốt dẫn nguồn E nhận năng lượng từ điện cảm tải trả về.
Do đó giá trị trung bình dòng một chiều từ nguồn có thể tính từ dòng trung bình
qua các van IT, ID với lưu ý trong một chu kỳ có hai lần dẫn của nhóm van:

Vậy công suất tiêu thụ từ nguồn đưa ra tải:
Còn công suất tải theo sóng hài cơ bản:
Dùng phương pháp tuyến tính hóa dạng dòng điện, ta phải tính được điểm
qua không của dòng và điểm i max theo biểu thức sau:
Giá trị cực đại của dòng tải:
Thời điểm dòng tải qua không:

Dòng trung bình qua các van:
Trong đó hằng số thời gian mạch tải

1.2.2 Tụ lọc đầu vào trong nghịch lưu điện áp.
Năng lượng một chiều được lấy từ lưới điện xoay chiều thông qua mạch
chỉnh lưu. Trong trường hợp này phải mắc ờ đầu ra chỉnh lưu một tụ điện C, có
nhiệm vụ:
•
Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E.
•
Nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải khi các điôt dẫn dòng, vì chỉnh
lưu không cho dòng đảo chiều lại.
Trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện áp một chiều.
Khi điôt dẫn thì tụ nạp, do đó:

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 11


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

trong đó: a1 = exp(-T/2)
hệ số kc càng tăng khi chu kỳ T càng lớn, hay tần số càng giảm; kc lớn nhất khi
tần sổ tiến tới không f 0 tương ứng T thì kcmax= (1-ln2)0,3 lúc đó:

và nếu lấy độ đập mạch theo thông lệ là 10% thì giá trị lớn nhất của tụ điện cần

mắc ở đầu vào nghịch lưu độc lập điện áp là:

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC

Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch động lực
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 12


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Trong đó

1. Khối biến áp lực: dùng máy biến áp 1 pha có tác dụng
2.
3.
4.
5.
6.

chuyển điện áp của lưới điện xoay chiều sang điện áp thích
hợp với tải, cách ly điện áp lưới.
Khối chỉnh lưu: Ta chọn khối chỉnh lưu cầu 1 pha dùng

Diode
Khối lọc đầu vào: Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E và
nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải khi các điôt dẫn dòng,
vì chỉnh lưu không cho dòng đảo chiều lại.
Khối nghịch lưu: sử dụng nghịch lưu độc lập điện áp một
pha, sơ đồ cầu.
Khối lọc đầu ra: có tác dụng lọc lấy sóng hài cơ bản, tăng
chất lượng điện áp đặt lên tải.
Tải

2.2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA
2.2.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu điện áp một pha
Các bộ nghịch lưu đề cập trong chương 1 là những bộ nghịch lưu mà dạng
sóng của dòng điện hoặc điện áp đưa vào bộ nghịch lưu là những xung vuông
hoàn toàn hoăc xung có nhảy cấp mà ta định nghĩa chung là những bộ nghịch
lưu nhảy cấp. Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi và hạn chế
nhất định trong điều khiển và dạng sóng đầu ra. Thuận lợi chủ yếu là vấn đề
điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cầu của mạch
điều khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định
trong một chu kì. Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ở
chương 1 thì trong một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ
đóng cắt một lần duy nhất. Có thể nói rằng tận số đóng cắt của van bán dẫn bằng
hai lần tần số của sóng cơ bản bộ nghịch lưu. Khả năng chuyển mạch của van
bán dẫn yêu cầu không cao, do vậy có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các
van bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển mạch thấp, các van công suất càng
lớn thì tốc độ chuyển mạch càng chậm. Bên cạnh ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu
nhảy cấp trên bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm lớn nhất là khả năng sin
hoá dòng điện hoặc điện áp không cao. Do đóng cắt cung cấp cho tải những
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 13


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

xung vuông nên khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không mong
muốn. Sóng hài xuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnh
trong điều khiển giảm. Khi tần số đầu ra yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất
hiện càng nhiều và khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả
năng kiểm soát tốc độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng.
Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược
điểm của hai bộ nghịch trên. Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ
rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thành
phần hài bậc cao được loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi
theo mọi cấp điện áp và mọi tần số trong dải tần số định mức. Nhược điểm lớn
nhất của bộ nghịch lưu PWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần
số lớn. Tần số thông thường lớn hơn khoản 15 lần tần số định mức đầu ra của bộ
nghịch lưu.

2.2.1.1 Điều chế PWM hình sin hai cực tính
Nguyên tắc của SWPM là trong một khoảng dẫn của van, van không dẫn
liên tục mà đóng cắt rất nhiều lần với độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thời
của hình sin có tần số bằng tần số sóng hài cơ bản.

T1,T2
Ura
T3,T4

Hình 2.3: Điều chế SPWM hai cực tính
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 14


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Hình 2.3 minh họa phương pháp điều chế hình sin hai cực tính sử dụng xung
tam giác tần số cao (gọi là sóng mang – carrier) được so sánh với điện áp hình
sin (gọi là sóng điều chế - modulation), điểm cắt nhau giữa 2 điện áp này là
điểm chuyển đổi trạng thái của 2 cặp van cho nhau. Điện áp ra không chỉ còn
hai xung chữ nhật với điện áp +E hay –E mà là một dãy xung có độ rộng biến
thiên theo qui luật của sóng điều chế hình sin. Điện áp ra ở mỗi nửa chu kỳ luôn
tồn tại cả hai dấu ±E nên được gọi là điều chế hai cực tính.
2.2.1.2 Điều chế PWM hình sin một cực tính

U

T1
T4
T3
T2

Ura

Hình 2.4: điều chế SPWM một cực tính

Để điều chế 1 cực tính có nhiều cách mà một trong số đó thể hiện ở hình 2.3.
Van của một cặp không đóng/ngắt đồng thời mà đổi nhau. thời điểm chuyển đổi
trạng thái giữa hai nhóm cũng khác nhau nhưng vẫn dựa theo nguyên tắc
SPWM.
Theo đồ thị ta thấy
• Điện áp ra bằng không khi T1 dẫn cùng T3 hoặc T2 dẫn cùng T4.

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 15


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

• Ở nửa chu kỳ đầu có những giai đoạn T 1 dẫn cùng T2 sẽ có điện áp ra
bằng +E.
• Ở nửa chu kỳ sau khi T3 dẫn cùng T4 sẽ có điện áp ra bằng –E.
Trong cách này cần tạo hai hình sin ngược pha nhau và chỉ một xung tam giác
cao tần hoặc có thể làm ngược lại: chỉ dùng một sóng điều chế hình sin và hai
xung tam giác ngược pha nhau.
Một cách khác để nhận được điện áp môt cực tính là chỉ dùng một hình sin,
nhưng xung tam giác được dịch chuyển để luôn cùng dấu với điện áp hình sin.

2.2.1.3 Chọn phương án điều chế SWPM
Phương pháp điều chế SWPM hai cực tính:

• Ưu điểm: Có mạch điều khiển đơn giản do điều khiển 2 van đồng thời
• Nhược điểm: Phổ sóng hài lớn hơn điều chế một cực tính
Phương pháp điều chế SWPM một cực tính:
• Ưu điểm: Phổ sóng hài tốt hơn điều chế hai cực tính
• Nhược điểm: Mạch điều khiển phức tạp hơn do phải điều khiển các van
riêng biệt.
Từ so sánh trên ta chọn phương án điều chế SWPM một cực tính
2.2.2 Chọn thiết bị bán dẫn đóng cắt
Tần số điện áp ra có giá trị từ 10 dến 100 Hz, Công suất 3kW. Trong bộ
nghịch lu sử dụng nguyên lý PWM thì tần số chuyển mạch lớn hơn nhiều lần tần
số cơ bản. Chính vì vây ta phải chọn linh kiện bán dẫn làm khoá chuyển mạch
phải có tốc độ chuyển mạch khá lớn. Các loại linh kiện bán dẫn có thể đáp ứng
được yêu cầu ở tần số này là:
+ Transistor lưỡng cực BJT - Bipolar Junction Transistor
+ Transistor hiệu ứng trường MOSFET - Metal Oxide Semicoducter Field
Effect Transistor
+ IGBT là sự kết hợp của BJT và MOSFET
Để tiến hành lựa chọn được van bán dẫn thích hợp, ta tiến hành phân tích ưu
nhược điểm các van bán dẫn trên.
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 16


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Những vấn đề cơ bản về BJT

Trong phần này ta không đi sâu vào cấu tạo của Transistor mà ta chỉ phân
tích những yếu tố chính của nó khi vân hành.
Có thể nói rằng BJT là một phần tử đóng cắt cổ điển nhất và được sử dụng đầu
tiên để cho mục đích đóng cắt sau nhiệm vụ khuyếch đại.
- Dải công suất của BJT:
Ngày nay với kĩ thuật tiên tiến thì các BJT có thể có công suất khá lớn, các van
BJT có thể có điện áp chịu đựng hàng chục kilôvôn và có dòng cho phép cỡ vài
nghìn Ampe. Tần số chuyển mạch của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phép
vào khoảng 10kHz. Tần số này càng giảm khi công suất van tăng. Độ tuyến tính
xung điện áp ra của BJT khá lớn, nguyên nhân chính do tụ kí sinh trên van nhỏ
nên cho phép van chuyển mạch nhanh.
Nhược điểm chủ yếu của BJT là công suất mạch điều khiển. Các BJT công suất
lớn thường có hệ số khuyếch đại nhỏ, cỡ trên dưới 10 lần. Điều này đông nghĩa
với công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta sử
dụng khuyếch đại trực tiếp. Công suất mạch điều khiển có thể giảm được nếu ta
sử dụng mạch Dalington cho tầng khuyếch đại cuối cùng, tuy vậy sẽ gây ra một
vấn đề đó là trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn.
- Tổn hao và làm mát BJT
Như đã phân tích, tổn hao trong BJT khá lớn do nó được điều khiển bằng dòngáp. Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT thường có công suất nhỏ, cỡ vài
trăm oát. Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể làm được xong không kinh tế
trong điều khiển và làm mát van.
Những vấn đề cơ bản về MOSFET
- Dải công suất của MOSFET
Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến được những nhược điểm trong điều
khiển BJT. Điểu khiển đóng mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đặt lên hai
cực, cực cổng (G - Gate) và cực nguồn (S - Source). Việc điều khiển bằng điện
áp đã làm giảm được kích thước và tổn hao trong mạch điều khiển và dẫn tới
khả năng tích hợp thành vi mạch.
Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch khá
lớn, có thể đến 100kHz. Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên van

nhỏ.
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 17


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Tuy vậy công suất của MOSFET không cao, khả năng làm việc ở điện áp cao
không bằng được BJT. Các MOSFET công suất lớn thường có điện áp làm việc
dưới 1kV và dòng điện cỡ vài chục Ampe.
- Tổn hao và làm mát MOSFET
MOSFET là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có thể
sử dụng ở chế độ đóng cắt. Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trường nên
quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ. Đi liền với đó là việc làm mát cho
MOSFET tương đối đơn giản, có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mà vẫn có thể
đảm bảo điều kiện làm mát. Do vậy khi dải công suất cỡ vài trăm oat thi ta nên
sử dụng MOSFET làm phần tử đóng cắt.
Những vấn đề cơ bản về IGBT
Kết hợp những ưu điểm của BJT về mặt công suất và của MOSFET về mặt điều
khiển, IGBT ra đời. Sự ra đời của IGBT đã giải quyết cho BJT về tổn hao trong
điều khiển, và tăng công suất đóng cắt.
- Dải công suấtcủa IGBT
Dải công suất của IGBT có thể nói là lớn nhất trong các van sử dụng nguyên lý
chuyển mạch bằng dòng xung điều khiển. Do không bị hạn chế về điều khiển
nên có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao.
Ngày nay IGBT có thể chế tạo điện điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA, trong

khi yêu cầu điện áp mạch điều khiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều
khiển do điều khiển IGBT là bằng điện áp như MOSFET.
Tần số chuyển mạch của IGBT cũng khá lớn, thông thường các IGBT công suất
có tần số làm việc khoảng 20kHz.
- Tổn hao và làm mát cho IGBT
Trong quá trình vân hành IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơn
MOSFET. Do vây quá trình làm mát của IGBT phải đặc biệt được chú ý khi dải
công suất tăn cao.
Qua phân tích ở trên và đặc điểm đóng cắt của mạch cần thiết kế ta chọn
IGBT làm phần tử đóng cắt
2.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.3.1 Tính toán bộ nghịch lưu
2.3.1.1 Chon hệ số điều biến tần số
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 18


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Hệ số điều biến tần số là tỉ số giữa tần số sóng mang và tấn số sóng điều
biến.
Trong đó:

: tần số sóng mang
: tần số sóng diều biến
Hệ số điều biến tần số có một ý nghĩa rất qua trong trong phương pháp

nghịch lưu PWM. Việc chọn hệ số điều biến sẽ quyết định chất lương và giá
thành của bộ nghịch lưu.
Tần số chuyển mạch van càng lớn độ méo hài càng giảm, tuy nhiên tần số
này bị hạn chế bởi khả năng đóng/cắt của van lực, mặt khác tổn thất chuyển
mạch và nhiễu cao tần trong công nghiệp cũng tăng nhanh theo . Vì vậy thiết bị
công suất có tần số điều chế thường dưới 10kHz.
Ta chọn = 40
Khi đó tần số chuyển mạch lớn nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu là:
Tần số chuyển mạch nhỏ nhất của van bán dẫn trong bộ nghịch lưu:

2.3.1.2 Chon hệ số điều biến biên độ
Hệ số điều biến biên độ là tỷ số giữa biên độ điện áp sóng điều chế và biên độ
điện áp sóng mang:
Trong đó:

: Biên độ sóng điều chế
: Biên độ sóng mang
Bình thường < 1; nếu > 1 gọi là quá điều chế làm giảm chất lượng điện áp ra.
Hệ số điều biến biên độ là một đại lượng quan trọng, đại lượng này quyết định
điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu.
Do bộ nghịch lưu cần thiết kế yêu cầu điện áp ra ổn định 220V nên ta chọn
hệ số sao cho có thể dễ dàng thay đổi tỉ số giữa điện áp nguồn một chiều và
điện áp ra, giúp ổn định điên áp ra đồng thời giá trị nguồn một chiều yêu cầu
không chên lệch quá lớn điện áp ra.
Ta chọn 0.85
2.3.1.3 Tính toán điện áp chịu đựng yêu cầu của IGBT
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 19

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Theo kết quả tính toán bằng Matlab với 0.85 có tỉ lệ U1/E 0.7353
Từ đó ta tính được điện áp nguồn một chiều cần cho bộ nghịch lưu:
Ta lấy giá trị E = 300V
Trên thực tế có một phần điện áp rơi trên van IGBT và bộ lọc đầu ra nhưng ta
xét đến các giá trị này sau khi chọn IGBT
Đặc điểm đóng cắt của các van bán dẫn trong chế độ nghịch lưu là không phải
chịu điện áp ngược đặt lên van, do vậy quá trình chọn van có thể chọn hệ số an
toàn về áp thấp hơn khi chọn hệ số an toàn về áp khi chọn van cho chỉnh
lưu. Chọn hệ số an toàn về điện áp cho van bán dẫn là 2. Do vậy ta có điện áp
chịu đựng yêu cầu của van bán dẫn có giá trị bằng:
UV = 300.2 = 600V
2.3.1.4 Tính toán dòng điện cần thiết để chọn IGBT
Công suất của bộ nghịch lưu P=3kW
Dòng điện sóng cơ bản trong chế độ làm việc:
Chọn hệ số dự trữ dòng điện là: Ki = 3,2
Dòng điện yêu cầu chọn IGBT:
Vậy ta có chỉ tiêu chọn van bán dẫn :

2.3.1.5 Chọn IGBT
Với công nghệ sản suất bán dẫn ngày nay thì các van bán dẫn có thể được tích
hợp trên một phần tử. Do đó ta chọn 4 van được tích hợp sẵn trên 1 phần tử:
Chọn IGBT : F4-50R12KS4

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 20


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Hình 2.5 Hình dáng bên ngoài F4-50R12KS4

Hình 2.6 Sơ đồ chân F4-50R12KS4

• Loại van: Cầu 1 pha.
• Hãng sản xuất: EUPEC
• Điện áp ngược cực đại: UCES = 1200V
• Dòng điện chế độ dẫn liên tục: IC = 50 A
• Nhiệt độ vân hành thông thường: TC = 700C
• Tẩn số đóng cắt tối đa: fmax = 20 kHz
• Điện áp thuận trên van VF = 2 V
2.3.1.6 Tản nhiệt cho IGBT
Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van IGBT có sụt áp, do đó có
tổn thất công suất ∆P, tổn thất này sinh ra nhiệt đốt nóng IGBT. Mặt khác
IGBT chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt
độ cho phép thì IGBT sẽ bị phá hỏng. Để IGBT làm việc an toàn, không bị
chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.
1-Tổn thất công suất trên 1 IGBT:
P = U.Ilv = 2 . 13,6 = 27,2 (W)
2-Diện tích bề mặt toả nhiệt:
S n = 4.

Trong đó:

∆P
27,2
= 4.
= 0,452(m 2 )
K n .τ
8.30

: độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường.
Lấy Tmt = 400C. Nhiệt độ làm việc cho phép của IGBT Tcp= 1500C
Chọn Tlv trên cánh tản nhiệt là 700C
Suy ra τ = Tlv – Tmt = 300C
Kn : hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ.
Chọn Kn = 8 W/m2.0C
τ

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 21


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Chọn loại cánh tản nhiệt có 13 cánh, kích thước mỗi cánh
a.b=13.13 (cm x cm)

Tổng diện tích tản nhiệt của cánh:
S = 13 . 2 . 13 . 13 = 4400 (cm2) = 0,44 (m2)
2.3.2 Tính toán diode chỉnh lưu và bộ lọc nguồn
2.3.2.1 Bộ lọc đầu vào một chiều cho nghịch lưu
Vì dòng định mức của nguồn một chiều khá lớn, khoảng 10 A nên ta chọn bộ
lọc LC cho nguồn 1 chiều.
Bộ chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode nên ta có các thông số sau
- Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn
xoay chiều: mđm = 2;
- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: 0,67;
- Hệ số đập mạch của điện áp đẩu ra, với bộ lọc chất lượng cao thì chỉ số đó
là 5% 0,05
Từ đó ta tính được hệ số san bằng:
Điện trở tải định mức:

Trị số điện cảm cho bộ lọc:
Chọn cuộn kháng có giá trị 35mH
Trị số tụ C
Chọn tụ hóa có giá trị 1000 400V
2.3.2.2 Tính chọn diode chỉnh lưu
Thông số để lựa chọn
Điện áp ra của chỉnh lưu: Ucl = 300 V
Dòng điện trung bình đầu ra của chỉnh lưu: Icl = 3000/220 = 13,6A
Trị số hiệu dụng nguồn xoay chiều:

Điện áp ngược cực đại lặp lại đặt lên diode:
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 22

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Chọn hệ số dự trữ điện áp cho Diode: ku = 1,8
Điện áp ngược để chọn diode UV = 1,8.522,81 = 941 V
Dòng trung bình qua Diode:
Chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 2
Dòng để chọn diode IV = 2.7= 14 A
Từ các số liệu trên Chọn diode CR20-100
•
•
•
•
•
•

Dòng điện định mức:
Iđm = 20 A
Điện áp định mức: Uđm = 1000 V
Dòng điện đỉnh: Ppik = 350 A
Điện áp sụt trên diode khi định mức: U = 1,1 V
Dòng điện rò:
Ir = 10 A
Nhiệt độ cho phép làm việc: Tcp = 200

2.3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu
Bảo vệ quá điện áp do quá trình chuyển mạch đóng mở của các Diode được

thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Diode.
Chọn R = 5,1 ( Ω ), C = 0,25 ( µF )

Hình 2.7 Mạch RC bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch

2.3.3 Tính chọn máy biến áp
Chọn máy biến áp 1 pha làm mát bằng không khí tự nhiên. Máy biến áp có
công suất nhỏ, chỉ cỡ chục kVA trở lại, sụt áp trên điện trở cuộn thứ cấp tương
đối lớn khoảng 4%. Điện áp sụt trên 1 Diode khoảng 1,1 V.
Điện áp một chiều tổng quát tương ứng tải định mức:

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 23


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

Công suất thực tế phía một chiều:
Công suất máy biến áp:
Điện áp thứ cấp định mức:
Hệ số biến áp:

Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp
Dòng điện cuộn sơ cấp:
Vậy các tham số máy biến áp lực cần chọn là:
Sba = 6 kVA ; U1 = 220V; U2 =350V; I1 = 24A; I2 = 15A

2.3.4 Tính toán bộ lọc tần số đầu ra nghịch lưu
Dùng phương pháp SPWM cho phép loại bỏ được nhiều các sóng hài bậc
thấp vì sóng hài thấp nhất LOH có bậc sát với tần sổ sóng mang, do đó càng
tăng tần số này thi điện áp ra càng gần sin hơn. Nếu tải có điện cảm thì dòng tải
đã rất gần hình sin mặc dù không dùng bộ lọc. Bộ lọc cần thiết kế có mục tiêu
chính là lọc lấy sóng hài cơ bản.
Lọc lấy sóng hài cơ bản

Hình 2.8 lọc lấy sóng hài cơ bản
SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 24


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
Nguyễn Hoàng Mai

GVHD: TS.

- Tính điện cảm L theo độ đập mạch dòng điện cho phép, ở đây chọn =2A
tần số sóng mang tương ứng khi bộ nghịch lưu hoạt động ở tần số 50Hz là
2000Hz
Chọn L = 10 mH
- Tính điện dung C theo điều kiện chống giao động với điện cảm tải ở đây
chọn Lt = 5 mH
Chọn C = 4,7
- Tính điện trở theo điều kiện đập:
Sụt áp trên bộ lọc sẽ thay đổi theo tần số ra của bộ nghịch lưu. Hệ số điều biến
biên độ ma sẽ được điều chỉnh để giữ điện áp trên tải không đổi.

2.3.5 Bảo vệ quá dòng cho bộ biến tần
- Dòng tải định mức của bộ biến tần là 13,6A. Ta chọn cầu chì 18A mắc ở đầu
ra tải của bộ biến tần.
- Dòng định mức phía sơ cấp của máy biến áp là 24A ta chọn cầu chì 30A và
CB 30A cho đầu vào của MBA

SVTH: Hoàng Thanh Tú

Trang 25