CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trang 3 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá Kết quả về kiến thức sau khi thực hiện đồ án, Kết quả và nhận xét về mạch điện mà nhóm thi công. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận về phương pháp thực hiện đồ án. Kết quả thực hiện và hướng phát triển của đồ án.
do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 4 Chương 2.1 Giới thiệu bộ nghịch lưu a. Khái niệm Bộ nghịch lưu có vai trò quan trọng trong điện tử công suất. Nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều.
Phân loại Để phân loại nghịch lưu thì có nhiều cách phân loại. Cách 1: Dựa theo số lượng pha. Nghịch lưu nhiều pha. Cách 2: Dựa theo sơ đồ.
Nghịch lưu hình cầu. Nghịch lưu hình tia. Cách 3: Dựa theo đặc điểm nguồn. Nghịch lưu nguồn dòng.
Giới hạn ở đây chỉ nhắc đến nghịch lưu nguồn áp một pha. Mang tính chất nguồn áp tạo ra điện xoay chiều. Dòng điện đầu ra phụ thuộc vào tải. Đầu vào của nghịch lưu áp là điện áp một chiều.
Quá trình chuyển mạch cưỡng bức sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện.2 Nghịch lưu áp một pha Nguồn điện áp có thể đơn giản là pin, acquy, hay ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu lọc phẳng thành một chiều hay có thể là các bộ chuyển đổi DC-DC. do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 5 Linh kiện sử dụng trong bộ nghịch lưu áp có khả năng đóng ngắt dòng điện qua nó. Nếu công suất nhỏ và vừa, có thể sử dụng BJT, MOSFET, IGBT.
Công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Nghịch lưu áp một pha dạng cầu (hay bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 linh kiện đóng ngắt (có thể xem như là các khóa) và 4 diode mắc đối song với khóa. 4 diode này đóng vai trò như một bộ chỉnh lưu cầu diode tạo điều kiện trao đổi công suất ảo giữa nguồn điện một chiều và tải xoay chiều. Nhờ đó hạn chế được điện áp ngược phát sinh khi ngắt các khóa.
Phải luôn chú ý rằng các cặp khóa S1 với S3, S2 với S4 không được cùng đóng. Kích đóng khóa cầu H(a) và đồ thị điện áp tải (b) Nghịch lưu áp một pha dạng nửa cầu: (a) (b) Hình 2. 2 Hình nghịch lưu áp dạng nửa cầu (a) và đồ thị điện áp tải (b). do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 6 Nghịch lưu áp một pha dạng tia (a) (b) Hình 2. 3 Hình nghịch lưu áp 1 pha dạng tia (a) và đồ thị điện áp tải (b).2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP 2.1 Tổng quan SPWM Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp như điều khiển theo biên độ, điều chế độ rộng xung sin PWM (SPWM-Sinusoidal pulse width modulation), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum pwm)… mục đích của các phương pháp đều muốn tạo dạng sóng ngõ ra có dạng gần giống sin nhất. Dạng sóng ngõ ra thường gặp 3 dạng là xung vuông, dạng sin mô phỏng và sin chuẩn. 4 Dạng sóng ngõ ra bộ nghịch lưu.
Ở đây đề cập đến phương pháp điều chế độ rộng xung theo sin (SPWM). Lựa chọn SPWM vì những ưu điểm mà nó mang lại như: - Tín hiệu ra có dạng sin. do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 7 - Ít sóng hài bậc cao.
- Giải thuật tính toán không quá phức tạp. - Giá thành rẻ. Phương pháp điều chế SPWM cũng có 2 cách thường dùng là dùng vi điều khiển hoặc sử dụng các linh kiện điện tử tương tự. Ở đây đề cập đến phương pháp dùng linh kiện điện tử tương tự.
Phương pháp này sẽ tạo ra các xung PWM có độ rộng thay đổi theo dạng sóng sin. Để tạo ra sự thay đổi này thì sử dụng một cách là đem sóng tam giác so sánh với sóng sin mẫu. Trong đó sóng tam giác là sóng mang có tần số lớn hơn tần số sóng sin mẫu. Tần số ngõ ra xoay chiều mong muốn bằng với tần số sóng sin mẫu.
Phương pháp SPWM được thể hiện theo hình dưới. Tín hiệu SPWM này sẽ được sử dụng trong việc điều khiển cầu H. 5 Cách tạo ra tín hiệu SPWM.2 Tạo sóng sin mẫu Tạo sóng sin mẫu bằng mạch cầu wien. Mạch dao động cầu wien là một mạch dao động dịch pha, thường dùng Op-Amp ráp theo kiểu dao động không đảo.[2] do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 8 Hình 2. 6 Mạch wien căn bản (a) và hệ thống hồi tiếp (b). Hệ số hồi tiếp: 𝑅1 𝑉2 1 + 𝑗𝑤𝑅1 𝐶1 𝛽= = 𝑉1 𝑅 + 1 + 𝑅1 2 𝑗𝑤𝐶2 1 + 𝑗𝑤𝑅1 𝐶1 𝑤𝑅1 𝐶2 = 𝑤(𝑅1 𝐶1 + 𝑅2 𝐶2 + 𝑅1 𝐶2 ) + 𝑗(𝑤 2 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 − 1) Tại tần số dao động 𝑤0 : 𝑤0 2 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 − 1 = 0 1 1 => 𝑤0 = => 𝑓0 = √𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 2𝜋√𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 𝑅1 𝐶2 1 => 𝛽 = = 𝐶 1 𝑅2 𝑅1 𝐶1 +𝑅2 𝐶2 +𝑅1 𝐶2 + +1 𝐶 2 𝑅1 1 Nếu 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅, 𝐶1 = 𝐶2 = 𝐶 thì: 𝑓0 = 2𝜋𝑅𝐶 𝑅 Độ lợi điện áp: 𝐴𝑣 = 1 + 4. Nếu chọn 𝑅4 =2𝑅3 thì 𝐴𝑣 = 3.
𝑅3 Chú ý rằng: Nếu 𝐴𝑣 < 3 thì mạch không dao động. Nếu 𝐴𝑣 = 3 thì mạch dao động. Nếu 𝐴𝑣 ≫ 3 thì mạch rất dễ dao động. Nhưng trong trường hợp này sóng sẽ bị biến dạng (đỉnh âm và đỉnh dương của tín hiệu bị cắt).
Như vậy để mạch hoạt động ổn định ban đầu ta phải làm độ lợi 𝐴𝑣 ≫ 3 để mạch dễ dàng dao động. Sau đó lại giảm độ lợi về 3 để giảm sự biến dạng của sóng. do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 9 Có nhiều cách để giảm thiểu sự biến dạng của sóng.
Ở đây sử dụng diode hoạt động trong vùng phi tuyến để thay đổi độ lợi điện thế của mạch. 7 Sơ đồ nguyên lý cầu wien Vai trò của diode D1, D2 trong hình 3. Khi biên độ sóng ra còn nhỏ D1, D2 chưa dẫn điện nên không ảnh hưởng đến mạch. Độ lợi điện thế lúc này: 𝑅 3.5 Khi điện thế đỉnh của tín hiệu ra qua điện trở 𝑅4 khoảng 0.5V thì diode 𝐷1 bắt đầu dẫn điện theo điện áp dương của sóng sin.
𝐷1 dẫn điện theo chiều dương của sóng ra, 𝐷2 dẫn theo chiều âm của sóng ra. Lúc này 2 diode có chức năng như điện trở, mà mắc song song với 𝑅4 nên làm giảm điện trở kéo theo giảm độ lợi. Thường gắn thêm một biến trở 𝑅5 để tinh chỉnh phù hợp. Sao cho dạng sóng ra ít bị biến dạng.3 MẠCH CẦU H VÀ IRF2113 2.
Khái niệm Mạch cầu H là một mạch điện trong đó có sử dụng 4 van được điều khiển ON/OFF. Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ về mặt điện áp hay dòng điện. Thông qua việc ON/OFF các van, tải sẽ nhận được dòng điện, điện áp lớn. Được gọi là cầu H vì mạch điện có hình chữ H.
[3] do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 10 Hình 2. 8 Hình minh họa cầu H. Ứng dụng thường gặp nhất của cầu H là trong điều khiển động cơ DC hay các bộ nghịch lưu.
Nguyên lý hoạt động - Trường hợp 1: H1 và L2 cùng đóng. Lúc này L1 và H2 cùng hở. Chiều dòng điện được minh họa như hình dưới. Ta gọi đây là chiều thuận.
9 Hình chiều dòng điện theo hướng thuận. - Trường hợp 2: L1 và H2 cùng đóng. Lúc này H1 và L2 cùng hở. Chiều dòng điện lúc này sẽ ngược lại trường hợp 1.
do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 11 Hình 2. 10 Hình chiều dòng điện theo hướng nghịch. - Tất cả các trường hợp khác chúng ta đều không nên thiết kế cho cầu H.
+ Giả sử trường hợp H1 và H2 cùng đóng hoặc L1 và L2 cùng đóng hoặc cả 2 cùng đóng. Thì cực dương của nguồn được nối với GND gây hiện tượng ngắn mạch ảnh hưởng đến nguồn có thể gây hỏng nguồn, hỏng van. + Trường hợp H1 và L1 đóng hoặc H2 và l2 đóng. Không có dòng điện qua tải.
Như vậy để cầu H làm việc bình thường thì cùng một thời điểm ta chỉ đóng 2 van. 2 van H1 và L2 hoặc L1 và H2. Lựa chọn van cho cầu H. Thành phần chính của cầu H là các van.
Phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng mà ta lựa chọn các van phù hợp. Van phải đáp ứng được yêu cầu về tốc độ đóng mở, áp, dòng. Các van thường dùng là relay, bjt, mosfet. + Đối với mạch công suất nhỏ: tần số đóng cắt nhỏ, dòng nhỏ thì mạch cầu H thường được thiết kế bằng BJT.
+ Đối với mạch công suất lớn: tần số đóng cắt lớn (>20Khz) lúc này Mosfet hay Igbt mới có thể đáp ứng. Tùy vào tải chọn các mosfet hay Igbt có Id lớn phù hợp với tải. Ưu, nhược điểm cầu H - Ưu điểm: Cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn. - Nhược điểm: Dễ sảy ra trường hợp 2 van H1, H2 hoặc L1, L2 gây ngắn mạch thường gọi là hiện tượng trùng dẫn.
Nếu hiện tượng xảy ra trong 1 thời gian ngắn dòng do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 12 trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van gây nóng van. Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn lớn làm hỏng van.2 IRF2113 với cầu H IC IRF2113 là trình điều khiển mosfet chuyên dụng. IC được đóng gói theo 2 kiểu PDIP 14 chân(cắm) hoặc SOIC 16 chân(dán).
11 Hình thực tế và sơ đồ chân IC IRF2113 16 chân dạng dán. 12 Hình thực tế và sơ đồ chân IC IRF2113 14 chân dạng cắm. Ở đây đề cập đến IC IRF2113 16 chân. Các chân ngõ ra có thể cấp dòng tối đa 2A.
Điện áp ngõ ra từ 10 đến 20V. Điện áp hoạt động kênh nổi cho Bootrap có thể lên đến 600V. IRF2113 thường được dùng để điều khiển các mosfet trong cấu hình nửa cầu H, hay cầu H. Một IC IRF2113 có thể điều khiển cấu hình nửa cầu H.
Ý nghĩa các chân của IC: + Chân 1 là 𝐿𝑂 ngõ ra điều khiển mosfet bên thấp. + Chân 2 là COM là chân trở về điện áp cho chân 𝐿𝑂 ta nối chân này với GND. Khi chân 𝐿𝑖𝑛 là cao, 𝐿𝑂 đầu ra sẽ bằng giá trị của điện áp VCC tại pin 3 so với với VSS và COM .