Đang tải... (xem toàn văn)
Xây dựng mô hình thí nghiệm gồm các mô đun: + Mô đun nguồn (xoay chiều và một chiều) + Mô đun điều khiển (điều khiển theo phương pháp 6 bước, điều khiển theo phương pháp điều chế xung sine) + Mô đun cách ly + Mô đun biến đổi công suất (dùng IGBT) + Mô đun tải (R, L) Xây dựng các bài thí nghiệm: + Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều khiển 6 bước (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây) + Thí nghiệm nghịch lưu 3 pha theo phương pháp điều chế xung sine (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp các pha, áp dây, so sánh với phương pháp điều khiển 6 bước)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG SIN Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐÌNH ĐĂNG KHOA NGUYỄN ANH KHƠI Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên Khóa: 2013-2017 Tháng 6/2017 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG SIN Tác giả NGUYỄN ĐÌNH ĐĂNG KHOA NGUYỄN ANH KHƠI Khóa luận đệ trình đề để đáp ứng u cầu cấp kỹ sư ngành cơ-điện tử Giáo viên hướng dẫn: Thạc sĩ NGUYỄN ĐĂNG KHOA Tháng 06 năm 2017 CẢM TẠ Em xin trân trọng cảm ơn tất quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh q Thầy Cơ khoa Cơ Khí - Cơng Nghệ trang bị cho em kiến thức quý báu giúp đỡ em suốt trình học tập trường Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Cơ Điện Tử giúp đỡ chúng em nhiệt tình thời gian thực đề tài Em xin bày tỏ biết ơn chân thành thầy Nguyễn Đăng Khoa tận tình hướng dẫn em suốt trình làm Luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô hội đồng dành thời gian nhận xét góp ý để luận văn em hoàn thiện Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến người thân bạn bè động viên, ủng hộ tạo cho em điều kiện thuận lợi suốt q trình hồn thành luận văn TP.HCM Ngày 15 Tháng Năm 2017 Sinh viên thực NGUYỄN ANH KHƠI NGUYỄN ĐÌNH ĐĂNG KHOA TĨM TẮT Đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm mạch nghịch lưu pha phương pháp điều chế xung sin” Được tiến hành xưởng thực tập CK01 thuộc khoa Cơ Khí - Cơng Nghệ Trường Đại Học Nơng Lâm TP HCM, thời gian thực đề tài từ 14/02/2017 đến tháng 04/06/2017 Nội dung thực - Xây dựng mơ hình thí nghiệm gồm mơ đun: + Mô đun nguồn (xoay chiều chiều) + Mô đun điều khiển (điều khiển theo phương pháp bước, điều khiển theo phương pháp điều chế xung sine) + Mô đun cách ly + Mô đun biến đổi công suất (dùng IGBT) + Mô đun tải (R, L) - Xây dựng thí nghiệm: + Thí nghiệm nghịch lưu pha theo phương pháp điều khiển bước (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp pha, áp dây) + Thí nghiệm nghịch lưu pha theo phương pháp điều chế xung sine (đo dạng sóng tín hiệu điều khiển, đo dạng sóng điện áp pha, áp dây, so sánh với phương pháp điều khiển bước) MỤC LỤC Trang Trang tựa i Cảm tạ ii Tóm tắt iii Mục lục iv Danh sách hình vi CHƯƠNG.1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài CHƯƠNG.2 TỔNG QUAN 2.1 Các phương pháp nghịch lưu pha 2.1.1 Nghịch lưu dòng pha 2.1.2 Nghịch lưu áp pha 2.1.2.1 Phương pháp điều khiển theo biên độ (Phương pháp bước) 11 2.1.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) 14 2.1.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM) 18 2.1.2.4 Phương pháp điều chế Vector không gian (Space vector modulation) 19 2.2 Cấu tạo phương pháp đóng mở IGBT 20 2.2.1 Quá trình đóng cắt 21 2.2.2 Yêu cầu với tín hiệu điều khiển .22 2.2.3 Vấn đề bảo vệ IGBT 22 2.2.4 Ưu điểm hạn chế IGBT 23 2.3 Khảo sát thí nghiệm biến tần kiểu điều rộng xung Vielina 23 2.4 Các phương pháp tạo xung sin, xung tam giác 26 2.5 Đề xuất nhiệm vụ đề tài 27 CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 3.1 Linh kiện nghiên cứu 31 3.2 Nội dung nghiên cứu 31 3.3 Phương pháp nghiên cứu 31 3.3.1 Phương pháp lý thuyết 31 3.3.2 Phương pháp thiết kế mô hình .32 CHƯƠNG.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 4.1 Thiết kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm nghịch lưu pha 33 4.1.1 Thiết kế chế tạo module điều khiển phương pháp điều khiển bước SPWM 33 4.1.1.1 Thiết kế chế tạo phát xung vuông điều khiển bước .34 4.1.1.2 Thiết kế chế tạo điều khiển theo phương pháp SPWM 34 4.4.2 Thiết kế, chế tạo cách ly 37 4.4.3 Thiết kế, chế tạo module công suất 38 4.4.4 Thiết kế chế tạo module tải 39 4.3 Xây dựng thí nghiệm 40 4.3.1 Thí nghiệm nghịch lưu pha phương pháp bước 40 4.3.2 Thí nghiệm nghịch lưu pha phương pháp SPWM 45 CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 49 5.1 Kết 49 5.2 Đề nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU Hình 1.1 Ứng dụng inverter máy điều hòa Hình 1.2 Máy giặt sử dụng công nghệ inverter non-inverter CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN Hình 2.1 Sơ đồ nghịch lưu dòng pha Hình 2.2 Giản đồ xung nghịch lưu dòng pha .5 Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu pha có diode ngăn cách Hình 2.4 Điện áp ngõ nghịch lưu pha nguồn dòng Hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu áp pha .8 Hình 2.6 Luật điều khiển van động lực Hình 2.7 Điện áp ngõ nghịch lưu pha Hình 2.8 Chiều điện áp qui ước 10 Hình 2.9 Giản đồ xung kích điện áp nghịch lưu áp theo phương pháp điều khiển theo biên độ (6 bước) 12 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chế xung sin .14 Hình 2.11 Điều chế xung PWM pha .15 Hình 2.12 So sánh sóng sin sóng tam giác 16 Hình 2.13 Trạng thái điện áp tải với tần số xung tam giác thấp 17 Hình 2.14 Trạng thái điện áp tải với tần số xung tam giác cao 17 Hình 2.15 Giản đồ kích đóng van động lực 18 Hình 2.16 Cấu trúc IGBT điển hình 20 Hình 2.17 Đặc tính động IGBT 21 Hình 2.18 Mạch điều khiển đơn giản IGBT 22 Hình 2.19 Sơ đồ khối biến tần điều rộng xung 24 Hình 2.20 Giản đồ thời gian hoạt động biến tần điều rộng xung 24 Hình 2.21 Dạng sóng ngõ biến tần nghịch lưu theo phương pháp điều chế xung sin 25 Hình 2.22 Nguyên lý boost converter 26 Hình 2.23 Thiết bị thực tập biến tần kiểu điều rộng xung .27 Hình 2.24 Tạo xung PWM phương pháp so sánh 29 Hình 2.25 Dạng sóng PWM pha .30 CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 Hình 4.1 Sơ đồ khối nghịch lưu pha 33 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý máy phát xung vuông .34 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý máy phát xung sin pha 34 Hình 4.4 Mạch tạo sóng tam giác .35 Hình 4.5 Sơ đồ tạo xung PWM 36 Hình 4.6 Module điều khiển 37 Hình 4.7 Module cách ly 38 Hình 4.8 Bề mặt biểu diễn module công suất 39 Hình 4.9 Mạch thiết kế module tải .39 Hình 4.10 Cách nối dây từ tạo xung vuông module cách ly 42 Hình 4.11 Cách nối dây từ module cách ly sang module công suất 42 Hình 4.12 Các kiều nối dây tải 42 Hình 4.13 Tín hiệu xung vng tạo từ vi điều khiển .43 Hình 4.14 Tín hiệu tải hình .43 Hình 4.15 Tín hiểu tải hình tam giác 44 Hình 4.16 Sơ đồ nối dây từ tạo xung sin xung tam giác qua so sánh 45 Hình 4.17 Tín hiệu phát xung sin 46 Hình 4.18 Tín hiệu máy phát xung tam giác 46 Hình 4.19 Tín hiệu PWM 47 Hình 4.20 Tín hiệu tải hình tần số xung tam giác thấp 47 Hình 4.21 Tín hiệu tải hình tần số xung tam giác cao .48 Hình 4.22 Tín hiệu tải hình tam giác 48 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐỀ NGHỊ 49 Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt Vấn Đề Hiện tất ngành công nghiệp đại trọng đến cơng nghệ inverter (còn gọi công nghệ biến tần) công nghệ tiên tiến hàng đầu Công nghệ ứng dụng để kiểm sốt cơng suất thiết bị nhằm tránh hao phí lượng khơng đáng có Ngồi inverter diện hầu hết thiết bị điện gia dụng gia đình Ví dụ: Máy điều hòa sử dụng inverter Hinh 1.1: Ứng dụng inverter máy điều hòa Máy điều hòa sử dụng inverter có chế vận hành êm hơn, tiết kiệm điện từ 30%, chí đến 60% điện sử dụng so với điều hòa khơng sử dụng inverter IN OUT +12V OP IN OUT +12V +24V OP IN OUT +12V IGBT IN IN IGBT IN IGBT U OP IN V OUT +12V W IGBT IN IN IGBT IN OP IN OUT +12V OP IN OUT +12V OP Hinh 4.11: Cách nối dây từ module cách ly sang module tải R1 R2 R3 U V R1 R2 R3 W U V L1 W Hình 4.12 Các kiều nối dây tải L2 L3 IGBT Dạng tín hiệu điều khiển bước Hình 4.13: Tín hiệu máy phát xung vng Dạng tín hiệu tải R-L mắc hình Hình 4.14: Tín hiệu tải hình Dạng tín hiệu tải R-L mắc hình tam giác Hình 4.15: Tín hiệu tải hình tam giác 4.3.2 Thí nghiệm nghịch lưu pha phương pháp SPWM Giữ nguyên sơ đồ mắc thay đổi module điều khiển bước module điều khiển SPWM mắc hình 4.16 ATMEGA 2560 RC Filter PWM A Output Sine A PWM B Output Sine B Sine A + Sine B Op-Amp LM393 PWM C Output Sine C + O3 - Op-Amp LM393 Triangle Wave Output O2 Sine C Phase Sine Wave Generator +12V O1 - O4 Triangle Input + O5 - XR2206 Op-Amp LM393 O6 Hình 4.16 Cách nối dây từ tạo xung sin xung tam giác qua cổng so sánh Sau giống phần điều khiển bước ta nối cổng O1 IN1, O2— IN2, O3—IN3, O4—IN4, O5—IN5, O6—IN6 cho phần điều khiển cách ly Đo dạng sóng dao động ký theo yêu cầu Dạng tín hiệu từ phát xung sin Hình 4.17: Tín hiệu máy phát xung sin Dạng tín hiệu từ phát xung tam giác Hình 4.18: Tín hiệu máy phát xung tam giác Dạng tín hiệu PWM ngõ cổng so sánh op-amp Hình 4.19: Tín hiệu PWM Dạng tín hiệu tải R - L mắc hình với tần số xung tam giác 100Hz Hình 4.20: Tín hiệu tải hình với xung tam giác tần số thấp Dạng tín hiệu tải R – L mắc hình với tần số xung tam giác 1000Hz Hình 4.21: Tín hiệu tải hình với xung tam giác tần số cao Dạng tín hiệu tải R- L mắc hình tam giác với tần số xung tam giác 100 Hz Hình 4.22: Tín hiệu tải hình tam giác Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết Trong thời gian tháng tiến hành thực đồ án Nhóm thiết kế, chế tạo thành cơng: - Module điều khiển với phương pháp điều khiển bước SPWM với: + Bộ phát xung sin vi điều khiển + Bộ phát xung vuông vi điều khiển + Bộ phát xung tam giác IC XR-2206 - Module cách ly TLP 250 - Module công suất sử dụng IGBT - Module tải pha R-L mắc hình tam giác - Xây dựng thành cơng thực hành cho sinh viên khóa 5.2 Đề nghị Vì thơi gian hạn chế, tầm hiểu biết chưa sâu nên nhóm thực phương pháp biến đổi điện áp DC – AC phương pháp bước phương pháp điều chế xung sin Hạn chế đề tài: + Xung sin mẫu không thay đổi tần số biên độ nên thí nghiệm mơ hình phương pháp nghịch lưu, không phát triển cho tập thí nghiệm biến tần + Xung sin khơng thay đổi biên độ nên không đánh giá ảnh hưởng biên độ sóng mang sóng điều chế Ngồi mơ hình dừng lại mức thí nghiệm nên chưa thể đưa vào ứng dụng cao Vì nhóm mong muốn mơ hình phát triển nghiên cứu sâu hơn, khắc phục hạn chế nêu để ứng dụng phát triển mơ hình thí nghiệm ngày hồn chỉnh tiên tiến, sát với thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh, 2008, Điện tử công suất tập Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật Nguyễn Văn Nhờ, 2002, Giáo trình điện tử cơng suất Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Nguyễn Bính, 2003, Điện tử cơng suất Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật PHỤ LỤC CODE ĐIỀU KHIỂNARDUINO #include #define SinDivisions (200) // Thuc Hien 200 Chu Ki PWM Cho Chu Ki Song Sin static int MicroMHz = 16; // Xung Thach Anh 16 MHz static int Freq = 50; // Tan So Xung Sin static long int Period; // Gia Tri Dem Cua Counter static unsigned int LookUpSine[SinDivisions]; static unsigned int LookUpSquare[SinDivisions]; // Bang Gia Tri Xung Sin // Bang Gia Tri Xung Vuong static char TheTCCR3A = 0b10101010; Ghi TCCR3A // Cai Dat Cac Bit Cho Thanh static char TheTCCR4A = 0b10101010; Ghi TCCR4A // Cai Dat Cac Bit Cho Thanh void setup(){ double temp; Period = MicroMHz*1e6/Freq/SinDivisions; Counter for(int i = 0; i < SinDivisions; i++){ // Cong Thuc Tinh Gia Tri Dem Cho // Tao Bang Gia Tri Xung Sin temp = 750 + sin(i*2*M_PI/SinDivisions)*240; LookUpSine[i] = (int)(temp+0.5); } // Lam Tron Gia Tri Bang Sin for(int j = 0; j < SinDivisions; j++){ // Tao Bang Gia Tri Xung Vuong if(j99) { LookUpSquare[j] = 0; } } // Tra Datasheet Atmega 2560 De Xem Cac Bit Cai Dat Cho Cac Thanh Ghi Tren Timer/Counter Va Timer/Counter TCCR3A = TheTCCR3A; TCCR3B = 0b00011001; TIMSK3 = 0b00000001; ICR3 = Period; TCCR4A = TheTCCR4A; TCCR4B = 0b00011001; TIMSK4 = 0b00000001; ICR4 = Period; sei(); // Kich Hoat Ngat Toan Cuc DDRE = 0b00111000; // Dat Cac Chan PE3, PE4 Va PE5 La Output DDRH = 0b00111000; // Dat Cac Chan PH3, PH4 Va PH5 La Output } void loop(){ } ISR(TIMER3_OVF_vect){ static int nums1; static int nums2 = nums1 + 133; static int nums3 = nums1 + 67; if(nums1 >= SinDivisions){ nums1 = 0; } else if (nums2 >= SinDivisions){ nums2 = 0; } else if (nums3 >= SinDivisions){ nums3 = 0; } OCR3A = LookUpSine[nums1]; OCR3B = LookUpSine[nums2]; // Ngat Khi Su Kien Counter Dem Tran Xay Ra OCR3C = LookUpSine[nums3]; nums1++; nums2++; nums3++; } ISR(TIMER4_OVF_vect){ static int numsq1; static int numsq2 = numsq1 + 133; static int numsq3 = numsq1 + 67; if(numsq1 >= SinDivisions){ numsq1 = 0; } else if (numsq2 >= SinDivisions){ numsq2 = 0; } else if (numsq3 >= SinDivisions){ numsq3 = 0; } OCR4A = LookUpSquare[numsq1]; OCR4B = LookUpSquare[numsq2]; OCR4C = LookUpSquare[numsq3]; numsq1++; numsq2++; // Ngat Khi Su Kien Counter Dem Tran Xay Ra numsq3++; } ... 31 3. 3 Phương pháp nghiên cứu 31 3. 3.1 Phương pháp lý thuyết 31 3. 3.2 Phương pháp thiết kế mơ hình .32 CHƯƠNG.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 4.1 Thiết kế, chế. .. kế, chế tạo mơ hình thí nghiệm nghịch lưu pha 33 4.1.1 Thiết kế chế tạo module điều khiển phương pháp điều khiển bước SPWM 33 4.1.1.1 Thiết kế chế tạo phát xung vuông điều khiển... .34 4.1.1.2 Thiết kế chế tạo điều khiển theo phương pháp SPWM 34 4.4.2 Thiết kế, chế tạo cách ly 37 4.4 .3 Thiết kế, chế tạo module công suất 38 4.4.4 Thiết kế chế tạo