Đề tài Tính toán thông số kĩ thuật bộ nghịch lưu nguồn áp DC-AC (inverter)

Nội dung text: Đề tài Tính toán thông số kĩ thuật bộ nghịch lưu nguồn áp DC-AC (inverter)

1. HOMEWORK REPORT Subject : Power Electronics Tính Toán Thông Số Kĩ Thuật Bộ Nghịch Lưu Nguồn Áp DC-AC (Inverter) Giảng viên hướng dẫn : Thầy Vũ Hoàng Phương Sinh viên thực hiện : Lê Văn Công ID : 20173694 Vũ Văn Hoan ID : 20173890 12/11/2019 1
2. ĐỀ BÀI • Hãy tính toán sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu H điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (điều chế đơn cực với các thông số sau : a. Giá trị điện áp ra hình sin mong muốn U0 = 220 VAC và tần số sóng cơ bản f1 = 50 Hz. b. Công suất đầu ra P = 1000 W,hệ số công suất của tải trở cảm Cos휑 = 0,85. c. Tần số cắt của PWM fs = 5 kHz. d. Dự phòng điện áp một chiều cung cấp UDC có thể dao động trong phạm vi +/- 10%. Cho phép sụt áp ở tần số sóng cơ bản trên cuộn cảm của mạch lọc LC không lớn hơn 10% điện áp đầu ra định mức U0. Hãy xác định : 1. Điện áp một chiều yêu cầu : UDC (V). 2. Tính toán biên độ dòng đầu ra yêu cầu : I0m 3. Tính toán dòng trung binh qua van và Diode :IV, ID (A). 4. Xác định dòng đỉnh lớn nhất qua van IGBT và Diode. 5. Điện áp ngược lớn nhất qua van IGBT và Diode. 6. Xác định mạch mạch lọc LC phía xoay chiều đảm bảo tần số cắt của mạch lọc LC = 0,1 S 7. Tính toán giá trị tụ lọc C phía một chiều để đảm bảo độ đập mạch ∆UC = 5% UDC . 8. Kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng PSIM. 12/11/2019 2
3. Sơ đồ mạch lực 12/11/2019 3
4. Tính toán chuẩn hóa mạch lực 1. Xác định điện áp đầu vào một chiều UDC. • Với PWM trong dải làm việc tuyến tính,m ≤ 1,giá trị biên độ điện áp đầu ra có thể đạt lớn nhất là UDC ,khi tần số đóng cắt fs coi là vô cùng lớn. • Để dự phòng điện áp một chiều thay đổi trong phạm vi +/-10%,cần chọn mmax =0,9. • Biên độ điện áp đầu ra yêu cầu bằng: U0m = 2U0 = 2 .220 = 311 V. • Vậy: UDC = U0m/0,9 = 311/0,9 = 346 V. • Do trong mạch lọc LC,thành phần điện cảm L có sụt áp tại tần số sóng cơ bản cho phép không lớn hơn 10% điện áp đầu ra định mức U0,nên ta phải chọn: UDC = 1,1.346 = 380 V. 12/11/2019 4
5. Tính toán chuẩn hóa mạch lực 2. Tính toán biên độ dòng đầu ra yêu cầu: I0m (A). • Công suất toàn phần của tải S0 = P0/cos휑 = 1000/0,85 = 1176 VA. • Dòng tải yêu cầu: I0 = S0/U0 = 1176/220 = 5,35 A. • Biên độ của dòng tải I0m = 2 I0 = 2 . 5,35 = 7,57 A . • Tần số đóng cắt của PWM là fs = 5 kHz ( Tần số của khâu phát xung răng cưa ). 3 -4 • Chu kì đóng cắt của PWM là Ts = 1/fs = 1/(5.10 ) = 2.10 (s). 3. Tính toán dòng trung bình qua van IGBT và Diode : IV, ID (A) • Dòng trung bình qua van IGBT : 1 1+ 표푠휑 I = ׬ sin(휃 − 휑)d휃 = I V 2 휑 0m 2 0m IV = 2,23 A • Dòng trung bình qua Diode : 1 휑 1− 표푠휑 . I = ׬ sin(휃 − 휑)d휃 = I D 2 0 0m 2 0m ID = 0,18 A 12/11/2019 5
6. Tính toán chuẩn hóa mạch lực 4. Xác định dòng đỉnh qua van IGBT và Diode : • Dòng tải thể hiện chính là giá trị trung bình dòng đầu ra nghịch lưu trong mỗi chu kỳ cắt mẫu. Vì vậy trước hết ta cần xác định độ đập mạch lớn nhất của dòng I0(t). • Bỏ qua ảnh hưởng của Rs với độ đập mạch dòng tải ta có : di(t) L = ≅ ∆u t S 푡 0 • Trong nghịch lưu nguồn áp PWM ∆ u0(t) = 2 UDC. Dòng điện có hệ số đập mạch lớn nhất khi hệ số lấp đầy xung (Duty ratio) là d = 0,5 .Do đó : 푠 ∆푈0 ∆ I ≈ ≈ U .T / 2L 0max 4 퐿푠 DC s s 12/11/2019 6
7. Tính toán chuẩn hóa mạch lực • Xác định giá trị điện cảm Ls. • Do sụt áp tại tần số cơ bản bằng 10% U0 (Theo đề bài) ULs = I0.XLs = 0,1 U0 = 0,1.220 = 22 V 22 X = = 4,11 Ω Ls 5,35 Ls = 13 mH • Độ đập mạch dòng tải lớn nhất bằng : 380.2.10−4 ∆I = = 2,92 A 0max 2.13.10−3 • So với biên độ dòng điện thì độ đập mạch bằng : ∆I 2,92 0max = = 38,6 % I0max 7,57 • Giá trị này tuy có hơi lớn nhưng có thể chấp nhận được. 12/11/2019 7
8. Tính toán chuẩn hóa mạch lực 6. Xác định mạch mạch lọc LC phía xoay chiều đảm bảo tần số cắt của mạch lọc LC = 0,1 S • Trong nghịch lưu PWM điện áp ra chủ yếu là sóng cơ bản.Các thành phần sóng hài bậc cao xuất hiện ở xung quanh tần số đóng cắt fs, cụ thể là h.fs +/- 1.f1 ,trong đó h = 1,2, Những tần số sóng hài thấp nhất là fs - f1,fs -2f1, Tuy nhiên do fs ≫ f1 nên các sóng hài này tập trung chủ yếu ở quanh fs,nghĩa là rất xa so với f1. Điều này đơn giản việc tính toán mạch lọc LC ở đầu ra nghịch lưu đi rất nhiều. • Chọn tần số cắt của mạch lọc tần số thấp LC sao cho dải băng thông của mạch lọc nhỏ hơn rất nhiều tần số đóng cắt,nghĩa là phần lớn các 1 sóng hài gần tần số đóng cắt sẽ bị loại bỏ: 휔 = ≪ 휔 = 2 f . LC 퐿 S s • Không cần để ý đến điều kiện tránh cộng hưởng ở các sóng hài có thể có trên điện áp ra. • Chọn tần số cắt của mạch lọc LC thấp hơn 10 lần so với tần số đóng cắt của PWM: 휔LC = 0,1 휔S → 휔LC = 3141,6 (rad/s). Vậy : 1 1 1 1 C= . 2 = −3 . 2 = 7,8 (휇F) 퐿 (휔LC 13.10 3141,6 ) 12/11/2019 8
9. Tính toán chuẩn hóa mạch lực • Tuy nhiên còn một điều kiện nữa mà tụ C phải đảm bảo,đó là để đảm bảo tần số đóng cắt 휔LC giá trị tụ phải chọn lớn hơn để bù vào hết công suất phản kháng của tải. • Công suất phản khán của tải bằng : 2 2 2 2 QL = 푆표 − 푃표 = 1176 − 1000 = 619 Var • Nếu bù bằng tụ C thì phải có QC = QL .Công suất của tụ được tính bằng : 푈 2 Q = = 휔CU 2 C c 푄 619 • Từ đây tính được giá trị cần thiết : C = = = 40,7 휇F. 휔푈 2 2 .50.2202 • So với giá trị tụ C tính ở mục trước và để phù hợp với tụ điện có sẵn ngoài thị trường,ta chọn tụ điện có giá trị điện dung là 47 휇F. Cần kiểm tra lại điều kiện ở tần số cơ bản XC ≫ XL : • Đây là điều kiện không tạo phân áp giữa XC và XL ,không thể đạt được điện áp 220V ở đầu ra. −3 XL = 2 .50.13.10 = 4,08 Ω −6 XC = 1/(2 .50.47.10 ) = 67,73 Ω 12/11/2019 9 Các số liệu tính toán cho thấy dễ dàng nhận ra được XC ≫ XL
10. Tính toán chuẩn hóa mạch lực 7. Tính toán tụ C của mạch một chiều • Tụ C trong mạch một chiều đóng vai trò là tụ lọc của mạch chỉnh lưu phía trước,vừa đóng vai trò tiếp nhận công suất phẩn kháng từ mạch nghịch lưu do các Diode đưa ngược về.Vậy giá trị của tụ là giá trị nào cần lớn hơn. • Trường hợp nặng nề nhất là dòng tải ở giá trị biên độ,hệ số d = 0,5 (tương ứng với tải thuần cảm,điện áp điều chế qua 0),khi đó : ∆푡 ∆U = ∆I ∆t = T /2; ∆I = I C C ; x S C 0max • Đề bài yêu cầu đảm bảo độ đập mạch ∆UC = 5% UDC .Từ đó ta có thể tính được : ∆Ic 7,57 −6 C = = 3 ≈ 40 .10 = 40 휇F 2 푠∆Uc 2.5.10 .0,05.380 • Tụ C tính được có giá trị khá nhỏ,chứng tỏ ưu việt của PWM. Trong trường hợp này tụ một chiều C sẽ được xác định chủ yếu từ điều kiện san bằng điện áp đầu ra chỉnh lưu. 12/11/2019 10
11. Mô phỏng kiểm chứng kết quả bằng PSIM 12/11/2019 11
12. Mô phỏng kiểm chứng kết quả bằng PSIM 12/11/2019 12
13. Mô phỏng kiểm chứng kết quả bằng PSIM 12/11/2019 13
14. Mô phỏng kiểm chứng kết quả bằng PSIM 12/11/2019 14
15. Mô phỏng bằng phần mềm PSIM 12/11/2019 15
16. Mô phỏng kiểm chứng kết quả bằng PSIM 12/11/2019 16
17. Mô phỏng bằng PSIM 12/11/2019 17
18. Kiểm chứng lại kết quả Đại lượng Kết quả lý thuyết Kết quả mô phỏng Sai số (%) Điện áp ra sau nghịch lưu (V) 220 220,7 0,3 Dòng đầu ra sau nghịch lưu (V) 5,35 5,32 0,6 Công suất đầu ra (W) 1000 991 0,9 Công suất toàn phần (Var) 1176 1174 0,2 Dòng trung binh qua van (A) 2,41 2,33 3,3 Nhận xét: - Sai số giữa kết quả lý thuyết và kết quả mô phỏng rất nhỏ - Dạng đồ thị điện áp và dòng điện gần đạt được hình sin mong muốn Giải thích : - Vẫn tồn tại sai số so với lý thuyết do các giá trị tính toán chỉ lấy xấp xỉ và giá trị tụ C được chọn gần với tinh toán -Lựa chọn L C chỉ mang tinh tương đối không thể đạt được điện áp hình sin tuyệt đối -Sự dụng phương pháp PWM với tần số đóng cắt không cao 5khz 12/11/2019 18
19. Thanks for watching 12/11/2019 19