Bài tập Điện tử công suất - Phạm Văn Toàn

Nội dung text: Bài tập Điện tử công suất - Phạm Văn Toàn

1. Bài Tập Điện Tử Công Suất Sinh Viên thực hiện: Phạm Văn Toàn - 20174271 Lý Ngọc Thuận - 20174249 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 1
2. Phần 1: Tính toán và thiết kế  1. Đề bài Bài tập 5: Hãy tính toán sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng nửa cầu điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với các thông số sau: + Giá trị điện áp hình sin ra mong muốn Uo = 220 VAC và tần số sóng cơ bản f1 = 400 Hz. + Công suất đầu ra Po = 1000 W, hệ số công suất của tải trở cảm 표푠휑 = 0,85. + Tần số đóng cắt của PWM fs = 20 kHz. + Dự phòng điện áp một chiều cung cấp UDC có thể dao động trong phạm vi +/- 10%. Cho phép sụt áp tại tần số sóng cơ bản trên cuộn cảm của mạch lọc LC không lớn hơn 10% điện áp đầu ra định mức Uo. Hãy xác định: Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 2
3. Phần 1: Tính toán và thiết kế Điện áp một chiều yêu cầu: UDC (V). Tính toán biên độ dòng đầu ra yêu cầu: Iom (A). 1. Tính toán dòng trung bình qua van và điôt: IV, ID (A). 2. Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van IGBT và điôt. 3. Điện áp ngược lớn nhất qua van IGBT và điôt. 4. Xác định mạch lọc LC phía xoay chiều đảm bảo tần số cắt của mạch lọc fLC = 0,1. fs 5. Tính toán giá trị tụ lọc C phía một chiều để đảm bảo độ đập mạch UDC = 5%UDC 6. Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng Matlab, Plecs hoặc PSIM. Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 3
4. Phần 1: Tính toán và thiết kế  2. Sơ đồ mạch lực +E/2 V -E/2 DC IGBT/ Diode1 0˚ iv1 A A L iv2 R IGBT/ id1 A 180˚ Diode2 A DC id2 id A 1/15/2022 4 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận Dạng xung điện áp, dòng điện của sơ đồ nghịch lưu nửa cầu
5. Phần 1: Tính toán và thiết kế  3. Xác định điện áp đầu vào Với PWM trong dải làm việc tuyến tính ≤ 1, giá trị điện áp đầu ra có thể đạt giá trị lớn nhất là 푈 , khi tần số đóng cắt coi là vô cùng lớn. Để dự phòng điện áp một chiều thay đổi trong phạm vi+/-10% cần chọn max = 0,9. Biên độ điện áp đầu ra yêu cầu bằng 푈0 = 2푈0 = 2. 220 = 311 → 푈 Τ2 = 푈0 Τ0 , 9 = 311Τ0.9 = 346 Trong mạch thường có mạch lọc LC để tạo điện áp hình sin. Dự phòng sụt áp không quá 10% điện áp đầu ra nên phải chọn 푈 = 2.1,1.346 = 760V Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 5
6. Phần 1: Tính toán và thiết kế  4. Biên độ dòng đầu ra yêu cầu - Công suất toàn phần của tải 푆0 = 푃0Τcos 휑 = 1000Τ0,85 = 1176 - Dòng tải yêu cầu: 0 = 푆0Τ푈0 = 1176Τ220 = 5,35 - Biên độ của dòng tải 0 = 2 0 = 2. 5,35 = 7,56 220 Với 푈 =220V, ta có 푅 = = 29훺 0 0,min 7,56 푍 = 41훺; 표푠휑 = 0,85 → 푅 = 35훺; 퐿 = 2,5 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 6
7. Phần 1: Tính toán và thiết kế  5. Tính toán dòng trung bình qua van và Diode: 푣, - Dòng trung bình qua van Dòng qua van 1 = න sin(휃 − 휑) 휃 푣 2 0 휑 1 + cos휑 = 2 0 1 + 0.85 = . 7,56 = 2,23 2 Dòng qua Diode Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 7
8. Phần 1: Tính toán và thiết kế  5. Tính toán dòng trung bình qua van và Diode: 푣, - Dòng trung bình qua Diode 휑 Dòng qua van 1 = න sin(휃 − 휑) 휃 2 0 0 1 − cos휑 1 − 0.85 = = . 7,56 2 0 2 = 1,13 Dòng qua Diode Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 8
9. Phần 1: Tính toán và thiết kế  6. Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van và Diode: Dòng điện có độ đập mạch lớn nhất khi độ rộng xung = 50%: I0 훥푈0,max 훥 0, = . 4 퐿푠 푈 Mà 훥푈 = 2푈 → 훥 = 푠 . = 5.10−4푠; 퐿 = 2,5 ; 푈 = 760 0, 0, 2 퐿 푠 푈 0,5.10−4 760 → 훥 = 푠 . = . 0, 2 퐿 2 2,5.10−3 → 훥 0, ≈ 7,6 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 9
10. Phần 1: Tính toán và thiết kế 6. Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van và Diode: Dòng đỉnh lớn nhất qua van: 푣,max = 푣 + 훥 0, = 2,23 + 7,6 = 9,43 Dòng đỉnh lớn nhất qua diode: , = + 훥 0, = 1,13 + 7,6 = 8,33 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 10
11. Phần 1: Tính toán và thiết kế  7. Điện áp ngược lớn nhất qua van và diode: Điện áp ngược lớn nhất qua van 2 là khi van 1 dẫn. Khi đó: 푈푛 , = 푈 = 760V Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 11
12. Phần 1: Tính toán và thiết kế 8. Tính toán mạch lọc LC DC IGBT/ Nguyên lý điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu nguồn áp 0˚ Diode1 - Vừa điều chỉnh được điện áp ra vừa điều chỉnh được tần số - Điện áp ra gần giống hình sin Ls L - Có thể chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào nghịch lưu làm R IGBT/ tăng hiệu quả của sơ đồ 180˚ Diode2 DC Cs Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 12
13. Phần 1: Tính toán và thiết kế  8. Tính toán mạch lọc LC Tần số cắt của mạch lọc LC thấp hơn 10 lần tần số đóng cắt 푠퐿 = 0,1 푠 = 0,1.20000 = 2000 Hz - Với 푅0,min =29 훺, ta có các giá trị của mạch lọc LC là 푅0,min 29 퐿푠 = = = 2,3 2 . 푠퐿 4000 1 1 푠 = = = 2,74휇퐹 → chọ푛 푠 = 6휇퐹 푅0,min. 2 . 푠퐿 29.4000 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 13
14. Phần 1: Tính toán và thiết kế  8. Tính toán mạch lọc LC - Công suất phản kháng của tải bằng 2 2 2 2 - 푄퐿 = 푆0 − 푃0 = 1187 − 1000 = 640 - Nếu bù bằng tụ C thì phải có 푄퐿 = 푄 . Ta có 2 푈 2 푄 640 푄 = = 휔 푈 → = 2 = 2 = 5,26휇퐹 휔푈 800 .220 - So sánh với giá trị 푠 = 6휇퐹 ở phần tính toán bên trên ta thấy giá trị đã chọn là hợp lý Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 14
15. Phần 1: Tính toán và thiết kế  9. Tính toán giá trị tụ lọc C phía mạch một chiều Để đảm bảo độ đập mạch là 훥푈 = 5%푈 thì giá trị của tụ C phía mạch một chiều là 훥푡 훥푈 = 훥 ; 훥푡 = 푠 ; 훥 = 2 0, 훥 7,56 → = = = 9,95휇퐹 ≈ 10휇퐹 2 푠. 훥푈 2.20000.0,05.380 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 15
16. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab 1. Nghịch lưu nguồn áp một pha – nửa cầu Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 16
17. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Điện áp trên tải Dòng điện qua tải Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 17
18. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab 2. Mạch có PWM – chưa có bộ lọc LC Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 18
19. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Dạng điện áp trên tải khi chưa có mạch lọc LC Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 19
20. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Dòng tải khi chưa có mạch lọc LC Nhận xét: khi chưa có mạch lọc LC, băm xung của dòng tải là lớn Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 20
21. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab 3. Mạch có PWM- có mạch lọc LC Các thông số: 퐿푠 = 2,3 푠 = 6휇퐹 푅 = 35훺 퐿 = 2,5 1 = 2 = 380 PWM Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 21
22. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Nhận xét: điện áp có dạng Điện áp trên tải sau khi có mạch lọc LC hình sin và có giá trị Umax gần sát với tính toán Giá trị tính toán: 220V Giá trị mô phỏng : 239V Sai số 239−220 = . 100% = 8,6% 220 Dạng điện áp trên tải Giá trị điện áp Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 22
23. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Dòng tải sau khi có mạch lọc LC Giá trị tính toán: 7,56A Giá trị mô phỏng : 6,69A Sai số 7,56 − 6,9 = . 100% = 8,73% 7,56 Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 23
24. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Dòng qua Van và Diode Dòng trung bình qua Van Giá trị tính toán:2,23A Giá trị đo được:7,59A Sai số: Dòng lớn nhất qua Van Giá trị tính toán: 9,33A Giá trị đo được:9,08A Sai số: Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 24
25. Phần 2 : Mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab Dòng qua Van và Diode Dòng trung bình qua Diode Giá trị tính toán: 1,13A Giá trị đo được: 2,92A Sai số: Dòng lớn nhất qua Diode Giá trị tính toán:4,93A Giá trị đo được: 1,24A Sai số: Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 25
26. Phần 3: Kết luận - Khi chưa có PWM, điện áp đầu ra dạng xung vuông có chu kỳ. - Khi có PWM, điện áp đầu ra bị chia nhỏ thành nhiều xung vuông có độ rộng xung bé đồng thời dòng điện qua tải có dạng hình sin với đường đồ thị là tập hợp của các xung răng cưa. - Khi gắn thêm mạch lọc LC, điện áp đầu ra dạng sóng hình sin với chu kỳ = chu kỳ của xung điều khiển và dòng điện qua tải giảm độ nhiễu đáng kể. Phạm Văn Toàn-Lý Ngọc Thuận 1/15/2022 26