Embed Size (px)
DESCRIPTION
nghịch lưu 1 pha có tần số ra không đổi
Citation preview
Đề số 23
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra thay đổi ” với các thông số sau:
U vào U ra I ra f
220V 127V 20A 40 400 Hz
Mục Lục
Lời nói đầu
Lời nói đầu
Chương 1. Phân tích lựa chọn phương án
I. Phân tích yêu cầu công nghệ
II. Lựa chọn phương án
Chương 2. Tính toán mạch động lực
I. Tính toán bộ nghịch lưu
II. Tính toán bộ biến đổi DC-DC
III. Tính toán mạch bảo vệ van bán dẫn
Chương 3. Mô phỏng bộ biến đổi
Chương 4. Thiết kế mạch điều khiển
I. Phần cứng
II. Lập trình điều khiển phát xung
III. Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT
driver
Tài liệu tham khảo
1
2
2
7
8
8
10
12
13
15
15
16
20
21
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ
thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để
không chế biến đổi nguồn năng lượng điện.
Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp
hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu
của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như : truyền động điện, giao thông đường sắt,
nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện
phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng
khác nhau...
Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có
những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ
biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch
lưu điện áp. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng. Đây cũng chính là đề tài của đồ án
này:
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra thay đổi ”
Bản báo cáo của em gồm 4 chương lớn:
Chương 1:Phân tích lựa chọn phương án
Chương 2:Tính toán mạch động lực
Chương 3:Mô phỏng bộ biến đổi
Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển
Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Trọng Minh cùng các thầy cô giáo bộ môn Tự
đông hóa đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình làm đồ án, do lần
đầu tiếp cận với đồ án, chúng em không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được
các thầy cô chỉ bảo thêm.
Hà Nội, tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Vũ Đức Tân
Chương 1 Phân tích lựa chọn phương án
4
Vũ Đức Tân TĐH4-K50 I. Phân tích yêu cầu công nghệ
1. Khái niệm chung về Nghịch lưu độc lập (NLĐL) Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành xoay chiều (còn gọi là bộ biến đổi DC-AC) có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu nguồn cung cấp có các tham số như điện áp, tần số có thể thay đổi được trong một phạm vi rộng. Trong thực tế, các bộ biến tần được hợp thành bởi các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu độc lập để biến nguồn điện có các thông số không thay đổi được thành nguồn điện có các thông số thay đổi được, đáp ứng mọi yêu cầu của phụ tải. NLĐL được phân loại thành :
NLĐL nguồn áp. NLĐL nguồn dòng. NL cộng hưởng.
2. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng Sử dụng một nguồn điện với nội trở vô cùng lớn, dòng điện ra là không đổi, không phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng gồm có:
NLĐL nguồn dòng song song một pha. NLĐL nguồn dòng ba pha.
3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp NLĐL nguồn áp sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, MOSFET, BJT do công nghệ chế tạo các phần tử này đã hoàn chỉnh hơn rất nhiều. Ở đây chúng ta có NL nguồn áp 1 pha, 3 pha. 3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4 và các điôt ngược D1, D2, D3, D4. Các điôt ngược là bắt buộc phải có trong sơ đồ NLĐL nguồn áp, giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng với nguồn. Nguồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co có giá trị đủ lớn, có 2 vai trò:
San bằng điện áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu. Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điôt ngược.
Hình 1. Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha
5
Máy phát sin chuẩn(SinA, SinB,SinC)
Máy phát
xung răng cưa
Vũ Đức Tân TĐH4-K50 Nếu không có tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ không có đường chạy cho dòng phản kháng dẫn đến quá điện áp trên các phần tử trong sơ đồ. 3.2 Ngịch lưu độc lập nguồn áp ba pha Sơ đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5, D6. Tương tự như NLĐL nguồn điện áp một pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn.
Hình 2. Mạch NLĐL nguồn điện áp cầu 3 pha
Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn. Có thể dùng thêm bộ DC-DC để có điện áp vào mong muốn. Phụ tải Za=Zb=Zc đấu Y hoặc ∆.
4. Các phương pháp điều khiển cho NLĐL nguồn áp 3 pha 4.1 PWM (Pulse Width Modulation) Phương pháp PWM thường được sử dụng, đảm bảo điện áp ra có dạng hình sin. Để dạng điện áp ra không phụ thuộc vào phụ tải ngưởi ta thường sử dụng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, mỗi pha của sơ đồ có thể điều khiển độc lập với nhau. Cặp van trong mỗi pha được điều khiển ngược nhau(V1 và V4, V3 và V6, V5 và V2).
Hình 3. Sơ đồ khối điều khiển PWM
Tín hiệu sin chuẩn so sánh với tín hiệu răng cưa qua mạch so sánh có ngưỡng. Tín hiệu điều khiển trong mỗi chu kỳ xung răng cưa Ts đối xứng theo mỗi nửa
chu kỳ Ts/2.
6
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Hình 4. Đồ thị xung điều khiển vào V3,V1,V5
Khó khăn nhất trong phương pháp PWM đó là phải có 3 sóng hình sin chuẩn có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau chính xác là 120° trong toàn bộ dải điều chỉnh. Điều này rất khó đảm bảo bằng các mạch tương tự.
4.2 SVM (Space Vector Modulation) Phương pháp điều chế vector không gian đang ngày càng được sử dụng rộng rãi. Đây là phương pháp biến điệu hoàn toản sử dụng kĩ thuật số, có độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên các bộ xử lý tín hiệu số DSP, ví dụ như dsPic. 4.2.1 Cơ bản về vector không gian Một hệ thống điện áp hay dòng điện 3 pha gồm ba thành phần (uA, uB, uC) hay (iA, iB, iC) có thể được biểu diễn bởi một vector trên mặt phẳng tọa độ 0αβ như sau :
Trong đó : ( j là đơn vị số phức
ảo ) và u được gọi là vector không gian. Hình 5. Điện áp các pha
7
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Giả sử là một hệ thống điện áp ba pha :
Như vậy, trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, u là một vector có độ dài bằng độ dài của điện áp pha và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc bằng . 4.2.2 Trạng thái của van và các vector biên chuẩn Đối với hệ sơ đồ NL áp ba pha, điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng ( hình 5). Sử dụng khái niệm trên, ta có thể mô tả hệ thống điện áp bởi vector không gian u ứng với mỗi 1/6 chu kì điện áp ra. Xét khoảng từ , có ba van dẫn là 1, 6, 2 và điện áp trên các van được mô tả bởi vector u1 có độ lớn 2E/3. Ứng với u1 ta có :
Tương tự như vậy ta có 6 vector u1,u2 ,u3 ,u4 ,u5 ,u6 mô tả điện áp ba pha đối xứng. Vị trí và giá trị các vector này xác định:
Giá trị điện áp tức thời trong các van. Luật đóng mở các van.
Trong đó, luật đóng mở van phải đảm bảo: Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì nếu đầu vào bị
ngắn mạch sẽ sinh ra dòng lớn, phá hủy van. Không được hở mạch bất cứ pha nào đầu ra.
Để đáp ứng được yêu cầu trên thì chỉ có 8 trạng thái của van, được biểu diễn như bảng:
STT VAN DẪN UA UB UC U0 V4, V6, V2 0 0 0 u0=01 V6, V2, V1 2E/3 -E/3 -E/3
u1=
2 V1, V2, V3 E/3 E/3 -2E/3u2=
3 V2, V3, V4 -E/3 2E/3 -E/3u3=
4 V3, V4, V5 -2E/3 E/3 E/3u4=
5 V4, V5, V6 -E/3 -E/3 2E/3u5=
6 V5, V6, V1 E/3 -2E/3 E/3u6=
7 V1, V3, V5 0 0 0 u7=0
Các vector ui với i=1,2…6 được gọi là các vector biên chuẩn, có hướng cố định trong mặt phẳng, lệch nhau một góc 60o.
8
Vũ Đức Tân TĐH4-K50Các vector này được biểu diễn trên hệ tọa độ 0αβ tạo thành một lục giác đều, chia mặt phẳng thành 6 góc bằng nhau, đánh số từ I cho đến VI (hình 6).
4.2.3 Tổng hợp vector điện áp từ các vector biên chuẩn Độ dài của các vector biên chuẩn được xác định dựa vào giá trị điện áp một chiều
đầu vào : .
Gọi u là vector điện áp ra mong muốn, có độ dài . Hình 6. Các sector và vector biên chuẩn Xét khi vector không gian u nằm trong góc phần sáu số I. Theo quy tắc hình bình hành, ta có thể tổng hợp u từ hai vector biên u1, u2 :
u = up + ut
trong đó up, ut là hai vector phải và trái, lần lượt nằm dọc theo hai vector biên u1 và u2. Độ dài vector phải, trái được tính như sau :
(1)
θ là góc chỉ vị trí tương đối của vector u trong góc phần sáu. Bản chất của phép điều chế vector không gian là tạo ra các vector up, ut trong mỗi chu kì tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kì cắt mẫu Ts. Độ dài các vector này được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u1, u2 trong mỗi chu kì Ts :
(2)
Từ (1) & (2) ta có công thức tính toán giá trị thời gian điều chế :
(3)
Đặt : hệ số biến điệu. Do u chỉ quay giới hạn trong đường tròn nội tiếp lục
giác đều trên nên ta có: . Khi đó biểu thức (3) trở thành :
Trong khoảng thời gian còn lại trong chu kì cắt mẫu, , ta phải đặt vector không uo hay u7 ứng với trạng thái điện áp ra bằng 0. Mặt khác, để điện áp ra ít bị méo thì T0/7 được chia làm đôi và đặt vào đầu và cuối của Ts. 4.2.4 Thuật toán điều chế vector không gian Ta có thể tóm tắt thuật toán điều chế vector không gian gồm các bước sau :
Lượng đặt ra là lượng điện áp ra mong muốn, có thể cho dưới dạng tọa độ cực
, hoặc dưới dạng tọa độ vuông góc .
Xác định vector u đang thuộc sector nào trong sau sector. Lựa chọn hai vector biên chuẩn ứng với sector đó và vector không theo bảng
sau để đảm bảo số lần chuyển mạch xảy ra giữa các van là ít nhất :
Sector
9
Vũ Đức Tân TĐH4-K50Vector I II III IV V VIup
ut
Tính toán các thời gian sử dụng các vector biên. 4.2.5 Đặc điểm của phương pháp điều chế vector không gian SVM:
Khác với phương pháp PWM kinh điển, SVM không dùng các bộ điều chế riêng biệt cho từng pha mà tổng hợp vector u tính chung cho cả ba pha.
Sử dụng các thiết bị điều khiển bởi vi xử lý, phương pháp SVM có thể áp đặt chính xác các vector phải, trái, từ đó tính được tp, tt trong mỗi chu kì cắt mẫu Ts.
Xung tam giác dùng so sánh có dạng đối xứng nên xung điều khiển cũng đối xứng, giảm được một số thành phần sóng hài bậc cao.
Điện áp dây của đầu ra mạch nghịch lưu lớn nhất bằng E trong khi phương pháp PWM chỉ đạt chưa tới 90% E. Ưu điểm này rất có lợi trong thiết kế bộ điều khiển động cơ vì lúc đó dòng điện giảm đi, với cùng một công suất.
5.Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra biến đổi 3 pha phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
Đảm bảo cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin. Điều chỉnh vô cấp được tần số của điện áp ra trên tải. An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cố. Chi phí thiết kế vận hành thấp.
II. Lựa chọn phương án 1. Lựa chọn phương án mạch lực
Trong đồ án này sẽ trình bày chi tiết về Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha, nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như chế tạo bộ biến tần, điều khiển tốc độ động cơ, tiết kiệm năng lượng… 2. Lựa chọn phương án mạch điều khiển Vì những ưu điểm đã trình bày ở trên nên sẽ sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian SVM trong đồ án này. Đây là một phương pháp tiên tiến, ngày càng được sử dụng nhiều, tính chính xác cao do sử dụng kỹ thuật số. Trong các phần sau sẽ trình bày cụ thể hơn về mạch lực và mạch điều khiển cho nghịch lưu điện áp với tần số ra thay đổi.
10
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Chương II: Tính toán mạch động lực
I. Tính toán bộ nghịch lưu
Hình 7. Sơ đồ mạch NLĐL nguồn điện áp 3 pha
Sử dụng hình thức làm mát van tự nhiên:+ hệ số dự trữ dòng điện: .
+ hệ số dự trữ điện áp: .
1. Tính toán chọn van IGBT*) Điện áp lớn nhất đặt lên van: (V).
Xét tại thời điểm van mở, van dẫn:
Cực C của nối với cực dương của nguồn
Van thông nối cực E của với cực âm của nguồn
Như vậy điện áp lớn nhất đặt lên các van IGBT là:
Hình 8. V1 khóa, V4 thông
Trong đó q là hệ số biến điệu. (0 < q < 0.866)*) Dòng điện trung bình đi qua van: Biểu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:
Rút gọn ta được:
Dòng trung bình qua van sẽ lớn nhất với tần số thấp là:
Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là:
11
Vũ Đức Tân TĐH4-K50 Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT GA200SA60U của hãng IR có các thông số chính :+ Loại vỏ SOT227 + +
+ + + 2. Tính toán chọn Diode
*) Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van :
Xét thời điểm van , khóa và van , thông:
Cực Anode cua được nối với cực âm của Vg.
Cực Kathode của D4 do van thông nên nối với
cực dương của
Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van
*) Dòng điện trung bình đi qua Diode: Hình 9. V4, D1 thôngBiểu thức dòng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là:
Giá trị cực đại của dòng trung bình qua Diode:
Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:
Từ 2 thông số trên ta chọn DIODE 1n2455r có các thông số chính sau: và
Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của van:
Dòng điện rò ở nhiệt độ : Nhiệt độ cho phép:
3. Tính giá trị tụ C
Chọn chế độ làm việc nặng nhất với Thay số ta có:
12
0
tx T 2T
0
t
t
Imin
Imax
iv iD
E
E-Ut
UL
Vũ Đức Tân TĐH4-K50II. Tính toán bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi xung áp một chiều DC-DC dùng điều chỉnh điện áp một chiều đầu vào cho mạch lực của nghịch lưu, đảm bảo cho điện áp ra trên tải có biên độ theo yêu cầu của đề bài.
1. Nguyên lý làm việc Van có tác dụng nạp năng lượng cho cuộn cảm L mắc nối tiếp giữa tải với nguồn. + Khi van T thông cuộn L nạp năng lượng bằng dòng điện iv đi từ nguồn qua
L và van T:
+ Khi van khóa dòng qua cuộn cảm tiếp tục được duy trì bằng dòng qua diôt D Hình 10. DC-DC
và phụ tải: .
Với Vg=const, dòng qua cuộn L có dạng tuyến tính, do đó nếu và là các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của dòng qua cuộn cảm, ta có:
+
+
+ Tại :
Trong chế độ xác lập: Hình 11. Điện áp E1, dòng IL
Đặt là tham số điều chỉnh,
Vì nên , bộ biến đổi làm việc giống như máy biến áp tăng áp với hệ
số biến áp là
2. Tham số điều chỉnh
13
Vũ Đức Tân TĐH4-K50 Yêu cầu bài toán thiết kế đặt ra là biến đổi điện áp E=220V ban đầu thành nguồn áp
Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đầu vào của bộ biến đổi như sau:
Mặt khác
Xung phát vào IGBT được lấy từ chân RDO cúa vi điều khiển có tần số
3. Tính toán chọn van IGBT*) Điện áp lớn nhất đặt trên van :
Khi van T khóa thì van D sẽ thông nên điện áp đặt trên van T chính là
.
*) Dòng trung bình qua van :
Ta có:
Trong đó : là dòng tiêu thụ trung bình của bộ nghịch lưu từ nguồn.
Chọn chế độ làm việc nặng nhất là khi
Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là:
Từ các thông số trên ta chọn IGBT IRG4PC40S của hãng IR có các thông số chính:+ Loại vỏ TO247(B) + +
+ + +
4. Tính toán chọn Diode*) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode:Khi van T thông thì Diode sẽ khóa nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode cũng là
.
*) Dòng điện trung bình qua Diode:
Ta có: .
Dòng điện và điện áp định mức của diode cần chọn là:
14
Vũ Đức Tân TĐH4-K50Từ các thông số trên ta chọn Diode CR150-060 có các thông số chính như sau:+ +
+ +
+Nhiệt độ cho phép
5. Tính toán chọn cuộn cảm L và tụ điện C+ Cuộn cảm L:
với điều kiện sai số
+ Tụ điện C:
với điều kiện sai số
So sánh giá trị của bộ nghịch lưu và giá trị của bộ DC-
DC, ta sử dụng chung cho 2 bộ nghịch lưu và DC-DC.
III. Tính toán mạch bảo vệ van bán dẫn
1. Mạch trợ giúp van (Snubber Circuit) Quá tải dòng điện đưa IGBT ra khỏi trạng thái bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng lên đột ngột, phá hủy phần tử. Khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện lớn dẫn đến tốc độ tăng giảm dòng dI/dt quá lớn trên C-E lập tức đánh thủng phần tử, nó không chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà còn xảy ra khi tắt nguồn, khi dừng đột ngột hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bình thường. Ở đây ta sử dụng mạch trợ giúp RC mắc song song với van (hình 12).+ Van IGBT IRG4PC40S sử dụng trong bộ nghịch lưu để đóng cắt dòng điện dưới điện áp
, với tần số chuyển mạch là
, tụ ký sinh của bản thân van là
, ta chọn các thông số mạch RC:
, + Van IGBT SGL60N90DTU được sử dụng trong bộ DC-DC để đóng cắt dòng điện dưới
điện áp .với tần số chuyển mạch là
,tụ ký sinh của bản thân van là
, ta chọn các thông số mạch RC : Hình 12. Mạch bảo vệ
, .2. Làm mát van bán dẫn Sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên.
15
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Chương 3 Mô phỏng bộ biến đổi
Hình 13. Sơ đồ mô phỏng
Các khối trong sơ đồ mô phỏng
Khối tham_so_dau_ra: khối này có chức năng định giá trị đầu ra với hai tham
số,hệ số biến điệu m và tần số dòng điện ra f.
Khối khoi_tao_xung:khối này nhận hai tham số m,f và sử dụng thuật toán
SVM điều chế thành 6 xung phát vào 6 van của mạch lực.
Khối mach_luc:mạch lực 6 IGBT đấu theo sơ đồ cầu 3 pha,nhận các xung
điều khiển dẫn dòng theo qui luật để tạo dòng ra mong muốn.
Khối DC_DC :khối này là bộ băm xung một chiều song song có tác dụng nâng
mức điện áp lên để đạt đuợc điện áp đầu ra mong muốn.
Khối tai_RL_noi_tiep: đây là tải gồm R và L nối tiếp,có giá trị tạo cho
.
Khối Do Upha và Do Ipha chức năng như Ampe kế và Von kế để đo U pha
và Ipha. K Khối Scope giống như oscilloscope để xuất ra hình ảnh của U và I.
16
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Hình 14. Dạng xung điều khiển
17
Vũ Đức Tân TĐH4-K50Hình 15. Dạng điện áp (pha a) và dòng điện ba pha đối với
18
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Chương 4 Thiết kế mạch điều khiển
I. Phần cứng
.
.
M a c h re s e t
2 0 M H z
1 K
2 K+5 V D
.
.
3 3 p
M a c h d a o d o n g
+5 V D
dsP ic30F2010
23456789
1 01 11 21 31 4
2 82 72 62 52 42 32 22 12 01 91 81 71 61 5
1
A N 0 / R B OA N 1 / R B 1A N 2 / R B 2A N 3 / R B 3A N 4 / R B 4A N 5 / R B 5V S SO S C 1 / C L K IO S C 2 / C L K O / R C 1 5R C 1 3R C 1 4V D DR D 1
A V D DA V S S
P W M 1 L / R E 0P W M 1 H / R E 1P W M 2 L / R E 2
P W M 2 H / R E 3P W M 3 L / R E 4
P W M 3 H / R E 5V D DV S SR F 2R F 3
F L TA / R E 8R D 0
M L C R
3 3 p
P W M 2
P W M 3
.
M a c h p h a n a p
P W M 5
+5 V D
P W M 4
+5 V D
0 . 1 u F
P W M 6
P W M 1
S W 11 0 K
Hình 16. Mạch dsPIC30F2010
1. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F2010 DSPIC30F2010 là bộ điều khiển số 16 bit của hãng Microchip có các tính năng như:
Bộ nhớ chương trình/bộ nhớ lệnh: 12K/4K.Dung lượng SRAM: 512 Bytes.Dung lượng EEPROM: 1024 Bytes.Ba bộ timer 16-bit.Bốn bộ Input Capture.Hai bộ Output Compare/Standard PWM.Sáu kênh chuyên dụng điều khiển motor PWM.Sáu kênh chuyển đổi A/D 10bit.Hỗ trợ Quandrature Encoder Interface.Một giao tiếp UART.Một giao tiếp SPI.Một giao tiếp I2C.
2. Các Module được sử dụng Module ADC Module TIMER Module PWM
3. Mạch ngoại vi Mạch reset: có tác dụng khởi động lại vi điều khiển. Mạch dao động thạch anh:
Thạch anh tần số 20MHz cung cấp xung dao động cho vi điều khiển. Tụ lọc C1=C2=33pf giúp ổn định xung dao động do thạch anh tạo ra.
Mạch phân áp: là đầu vào cho bộ chuyển đổi tương tự số ADC, qua đó có thể điều chỉnh dải tần làm việc cho nguồn 3 pha.
IGBT driver HCPL-316J: tiếp nhận xung từ PWM, xử lí và phát vào mạch lực.
19
Vũ Đức Tân TĐH4-K50II. Phần lập trình điều khiển phát xung
Hình 17. Sơ đồ điều khiển
20
Vũ Đức Tân TĐH4-K501. Điều chỉnh tần số dựa vào mạch phân áp bên ngoài Sử dụng Module ADC, độ phân giải 10 bit, ngõ vào AN0.Với giải điều chỉnh tần số 40 400(Hz), chọn các điện áp:
0V ứng với 40Hz. 5V ứng với 400Hz.
Tần số Trong đó V là điện áp ở ngõ vào ADC.
2. Khai báo các hằng số, thiết lập Module PWM2.1 Khai báo các biến
Khai báo các biến nguyên sử dụng trong chương trình. Hình 18. Bộ phân áp Góc θ định vị vectơ u trong không gian. Thời gian phát xung: ti, t1, t2, tpwm. Theo đó tpwm =ti +t1 + t2= 2.ts=2.( to + tt + tp)
Khai báo tần số số thực thi lệnh và tần số PWM FCY= 5000000; FPWM= 10000;2.2 Thiết lập Module PWM
Thiết lập Module PWM làm việc ở chế độ bù tức là các cặp chân ra PWM1L&PWM1H, PWM2L&PWM2H, PWM3L&PWM3H phát xung ngược nhau.
Thiết lập Module PWM hỗ trợ ngõ ra gióng hàng theo điểm giữa. Khi sử dụng Module PWM theo cách này thì Tpwm=2 Ts.
Thiết lập tần số fpwm bằng cách gán giá trị cho thanh ghi PTPER.Chọn hệ số PTMR Prescaler bằng một.
PTPER = (FCY/FPWM - 1) /2 Chu kì xung bằng 2 lần chu kì chu kì nhiệm vụ nên để tránh phiền hà cho tính
toán sau này ta gán tpwm=2 PTPER.
3. Cập nhập góc θ và lập bảng giá trị “sinetable[ ]”3.1 Cập nhập góc θ
Khởi tạo góc θ=0. Góc θ được cập nhập sau mỗi chu kì Tpwm, gọi m là số lần cập nhật trong một
chu kỳ điện:
Tính toán bước nhảy Δ sau mỗi chu kì Tpwm
3.2 Lập bảng sintable[] Bảng này ghi lại các giá trị:
sinθ = sin(0 + i.Δθ)
vào mảng sintable[] với ; trong đó là số lần cập nhật trong mỗi sector.
4. Lập trình phát xung21
Vũ Đức Tân TĐH4-K50 Thực hiện vòng lặp sau mỗi chu kỳ tpwm:
Bắt đầu góc θ được update θ=θ+Δθ Sau đó dựa vào góc θ để xác định vị trí của vector u trong không gian.
Cụ thể: nếu thì u sẽ nằm trong sector n và qua đó xác định
được vevtor biên chuẩn trái Un+1, phải Un và vector không Uo,U7. Tính toán thời gian phát xung ti = 2to, t1 = 2tp, t2 = 2tt. Kết hợp với các vector biên chuẩn đã xác định thực hiện phát xung qua các
chân PWM bằng cách đặt các thời gian tương ứng lên các thanh ghi PDCX
Hình 19. Sơ đồ xung phát vào các van ở sector 1+ Sector 1PDC1 = 2tp + 2tt + to
PDC2 = 2tt + to
PDC3 = to + Sector 2PDC1 = 2tp + to
PDC2 = 2tp + 2tt + to PDC3 = to
+ Sector 3PDC1= to PDC2 = 2tp + 2tt + to PDC3 = 2tt + to
+ Sector 4PDC1 = to PDC2 = 2tp + to
PDC3 = 2tp + 2tt + to
+ Sector 5PDC1 = 2tt + to PDC2 = to PDC3 = 2tp + 2tt + to
+ Sector 6PDC1 = 2tp + 2tt + to
PDC2 = to
PDC3 = 2tp + to
Nhận xét Trong một chu kì Ts van chuyển mạch một lần, trong khi đó
Fs=2*FPWM=20000Hz.Vậy tần số chuyển mạch của van là 20000Hz. Xung phát ra từ Module PWM được đưa vào IGBT driver.
5. IGBT driver HCPL-316J
22
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Hình 20. HCPL-316J
Nguồn: lấy từ mạch nguồn ở phần III (hình 21) dưới đây.
Tín hiệu vào: xung PWM từ chân vi điều khiển vào chân Vin+, chân Vin- được nối đất.
Tín hiệu ra: chân Vout cấp tín hiệu điều khiển vào cực G của IGBT qua điện trở RG.
Tín hiệu DESAT: được lấy từ Collector qua điot DDESAT qua một mạch lọc tần số thấp bằng điện trở 100 và tụ 100pF, đưa vào chân 14 của IC. Mức điện áp ở chân 14 được theo dõi để phát hiện mức bão hòa của IBGT. Nếu điện áp này lớn hơn 7V sau khi có tín hiệu điều khiển mở IGBT chứng tỏ có quá dòng điện,mạch xử lí logic khóa mềm sẽ phát tín hiệu khóa và tự động tăng điện trở đưa đến cực đến cỡ 500 , lớn hơn 10 lần so với khi khóa mở thông thường.
6. Lập trình phát xung vào IGBT của mạch DC-DC Thuật toán:
Bước 1.Thiết lập chân RD0 của dsPic30F2010 (hình 16) là chân output. Bước 2. Xuất chân RD0 ở mức cao. Bước 3.Thực hiện trễ trong thời gian (ms). Bước 4.Xuất chân RD0 ở mức thấp. Bước 5.Thực hiện trễ trong thời gian (ms) Bước 6.Quay lại bước 2.
Ghi chú: * T là chu kì của xung phát vào IGBT của mạch DC-DC. * là tham số điều chỉnh.
III. Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT Driver
23
Vũ Đức Tân TĐH4-K50
Hình 21. Mạch nguồn
Vi điều khiển sử dụng 3 nguồn điện áp 1 chiều +5V còn 7 IGBT driver sử dụng 7 nguồn điện áp 1 chiều +18V và -5V vì vậy ta phải thiết kế mạch nguồn 1 chiều để cung cấp cho các chi tiết này.
1. Thiết kế nguồn DC +5V cho vi điều khiển: + Nguồn 1 chiều E (U vào) ban đầu được cung cấp cho bộ nghịch lưu áp 1 pha, tần số đóng cắt của van IGBT là . Hình 22. Nguồn cho dsPicCoi nguồn E đầu vào là lý tưởng thì điện áp đầu ra sẽ có dạng xung vuông. + Điện áp này được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung để thay đổi biên độ của xung theo yêu cầu tạo thành điện áp .
24
Vũ Đức Tân TĐH4-K50+ Điện áp được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu 1 pha. Đầu ra của bộ chỉnh lưu được nối với các tụ lọc và vi mạch ổn áp 7805 để tạo ra điện áp DC +5V có độ ổn định cao cung cấp cho vi điều khiển.
2. Thiết kế nguồn DC +18V và -5V cho IGBT driver:+ Điện áp được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung. Cuộn thứ cấp của biến áp xung này có điểm giữa nối đất tạo thành 2 điện áp ngược pha nhau.+ Điện áp được đưa qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha, qua bộ lọc RC tạo thành điện áp 1 chiều. Đồng thời dưới tác dụng ổn áp của Diode Zener DZ18, điện áp 1 chiều này sẽ ổn định ở giá trị 18V. Hình 23. Nguồn cho IGBT driver + Tương tự điện áp cũng được đưa qua bộ chinh lưu cầu 1 pha. Dưới tác dụng của bộ lọc RC và Diode DZ5, điện áp 1 chiều đầu ra sẽ ổn định ở giá trị -5V.
-------------------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo
Giáo trình điện tử công suất-Trần Trọng Minh-Nxb Giáo dục. Điện tử công suất-Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh-
Nxb Khoa học kỹ thuật. Điện tử tương tự-Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải,
Nguyễn Quốc Cường-Nxb giáo dục.
25
