2. Nguyên Lý Hoạt động Của PWM - Tài Liệu Text - 123doc

1. Trang chủ >
2. Luận Văn - Báo Cáo >
3. Báo cáo khoa học >

2. Nguyên lý hoạt động của PWM

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.49 MB, 140 trang )

Đồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWĐể ý rằng diện tích của mỗi xung tơng ứng gần với diện tích dới dạngsóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều ho của sóngđiều chế theo phơng pháp PWM giảm rõ rệt theo phơng pháp ny.Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầura theo phơng pháp PWM (đơn cực) trong mạch điều khiển ngời ta tạo ra mộtsóng sin chuẩn mong muốn v so sánh nó với một dãy xung tam giác đợc biểudiến trên hình 2.2. Giao điểm của hai sóng xác dịnh thời điểm kích mở van bándẫn.Hình 2.3 : Đồ thị xác định thời điểm kích mở thyristorĐiện áp của đầu ra bộ nghịch lu PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông,có nghĩa l khi đó đầu ra của PWM giống nh bộ nghịch lu nguồn áp đã đề cậpở chơng 1. Khi điện áp điều khiển cng giảm thì bề rộng của xung cng giảmv độ trống xung cng tăng, do vậy điện áp ra giảm. Vì vậy có thể điều khiểnđiện áp đầu ra bằng điện áp điều khiển.Hình 2.4 giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánh tạo điểm kíchmở van bán dẫn. Phần sóng hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tơng ứngcho xung ra có bề rộng b. Giảm biên độ sóng hình sin ta sẽ có một một nửa sẽcó xung có bề rộng c. Xung sin có tần số nhỏ hơn nhiều tần số xung tam giácnên có thể coi nh trong một chu kì xung tam giác thì xung hình sin không thayđổi độ lớn, vì vậy ta có c = b/2.Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4631Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWHình 2.4 : Giải thích việc sử dụng sóng tam giác để so sánhBiên độ của điện áp điều biến ra không đổi nhng bề rộng xung thay đổi,do vậy điện áp trung bình đầu ra thay đổi v ta có biên độ điện áp sau bộ nghịchlu thay đổi. Cách điều chế tơng tự cũng đợc xem xét cho phần âm của sóngsin chuẩn. Bề rộng a trên hình vẽ ứng với giá trị cực đại của song sin. Điều đóđồng nghĩa với biên độ cực đại của sóng sin chuẩn không lớn hơn xung tamgiác.Quá trình đa xung có tần số cao vo sẽ tạo ra đóng cắt tần số lớn do vậysẽ lm tăng các điều ho bậc cao. Nhng ta có thể dễ dng lọc ra điều ho bậcthấp v tần số cơ bản sin hon. Bên canh đó động cơ l tải điện cảm nên dễ dnglm suy giảm các điều ho bậc cao cả điện áp v dòng điện.Thay cho phơng pháp điều khiển PWM đơn cực để năng cao chất lợngđiều khiển ta có phơng pháp điểu khiển PWM lỡng cực. Các thyristor đợckích mở theo từng cặp nhằm tránh khoảng điện áp về không (lỡng cực). Giảnđồ điện áp điều biến PWM lỡng cực đợc biểu diến trên hình 2.5. Phần điện ápngợc trong nửa chu kì đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm van bán dẫnngời ta điều chế sóng ta giác tần số cao bằng sóng sin chuẩn vì vậy không tạođộ lệch pha giữa sóng tam giác v sóng hính sin cầu điều biến.Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4632Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWHình 2.5 : Điều chế độ rộng xung lỡng cựcSố lần chuyển mạch nhiều trong một chu kì sóng tam giác dãn tới tổn haođỏi chiều trong thyristor của bộ nghịch lu lớn. Để chọn bộ nghịch lu có sónggần chữ nhật hoặc bộ nghịch lu PWM phải chú ý đến giá thnh bổ xung phầntử chuyển mạch v tổn hao chuyển mạch, song song với điều đó phải tính đếnsóng cơ bản còn kại ở đầu ra.3. Định lợng PWMTrong phần 2 ta đã có một khái niệm cơ bản về bộ nghịch lu điều biếnđộ rông xung - PWM. Phần ny ta sẽ đi sâu vo định lợng một số đại lợng cầnthiết trong tính toán bộ nghịch lu PWM v vấn đề hi bậc cao ở đầu ra. Nhữngvấn đề cần quan tâm trong tính toán bộ PWM :+ Sin hoá PWM`+ Nguyên lý loại trừ hi bậc cao+ Điều khiển thích nghi PWM+ Dịch pha PWMDo yêu cầu đóng cắt với tần số cao nên phần lớn PWM sử dụng transistornh : BJT, MOSFET, IGBT. lm phần tử chuyển mạch.Vì vậy trong quá trìnhxem xét về PWM ta dùng transistor lm đồi tợng nghiên cứu.Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4633Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kW3.1. Sin hoá PWMKĩ thụât sin hoá PWM đợc ứng dụng rất thông dụng trong công nghiệp.Hình 2.5 trình by nguyên lý cơ bản của PWM, trong đó một sang mang chuẩnhình tam giác đợc so sánh với thnh phần tần số cơ bản của sóng điều biện hìnhsin, điểm giao cắt của chúng đánh dấu điểm chuyển mạch của các phần tử bándẫn công suất. Trong PWM ba pha, một sóng mang chung đợc sử dụng cho cảba pha. Hình dạng chuẩn của sóng điện áp dây v điện áp pha với điểm so sánhđiện áp l điểm trung tính đợc trình by trong hình 2.1.Những loạt xung vuông biến đổi ở đầu ra bộ nghịch lu đợc điều biếnthnh hình sin, v dạng sóng bao gồm một thnh phần cơ bản của tần số điềubiến. Biên độ của các thnh phần cơ bản có thể thay đổi khi tần số v điện ápcủa sóng điều biến thay đổi. Xử lý chuỗi Fourier của sóng điện áp đầu ra kháphức tạp, nhng có thể trình by theo công thức sau :Vdsin(S t + ) + thnh phần hm điều ho Bessel2trong công thức trên :+ m : hệ số điều biến,+ S tần số sóng cơ bản (bằng tần số điều biến),v (t ) = m+ góc lệch pha đầu ra, phụ thuộc vo độ dơng của sóng đầu ra.Hệ số điều biến đợc dịnh nghĩa l m = VP/VT , trong đó VP l biên độ củasóng điều biến v VT l biên độ của song mang. Lý tởng thì m có thể biến đổitrong khoảng 0 v 1 thì có thể cho ta quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều tần vđiện áp đầu ra. Khi m =1, giá trị lớn nhất của thnh phần cơ bản của điện áp đầura có giá trị bằng 0,5Ud v bằng 78,5% biên độ của điện áp xung vuông (4Ud/2 ). Khi giá trị m = 0 thì điên áp đầu ra các xung hình vuông đối xứng với cáckhoảng trống. Khoảng trống đợc định nghĩa l khoảng thời gian khoá của phầntử chuyển mạch. Khi giá trị m tiến dần tới 1, độ rộng của khoảng trống gần giữacủa nửa chu kì sóng hình sin tiến dần tới không. Khi sự vận hnh của bộ nghịchlu hon hảo, độ rộng xung v khoảng trống đạt tới giá trị nhỏ nhất đợc duy trìcho chuyển mạch v phục hồi đóng cắt. Cũng giống nh vậy, khoảng thời giantrễ đóng cắt nhỏ nhất cũng đợc yêu cầu đối với quá trình đóng mở giữa haiphần tử đóng cắt cao v thấp khi cả hai phần tử ny cùng khoá. Khoảng thời gianny đa ra để loại trừ khả năng ngắn mạch van do quá trình trùng dẫn.Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4634Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWDạng sóng đầu ra của PWM bao gồm thnh phần sóng hi bậc cao tần sốsóng mang v hi bậc cao tần số dải tần sóng điều biến. Tần số góc của sóng hicó thể tính theo công thức :M .C N Strong đó :+ C : tần số sóng mang+ S : tần số sóng điều biến+ M, N l những số nguyên v M+N l một số lẻ.Với tỷ lệ tần số sóng mang v tần số sóng điều biến P = 15, tổng các thnh phầnsóng hi bậc cáo đợc đa ra trong bảng 3.1Biên độ của thnh phần sóng hi không phụ thuộc vo hệ số điều biến tầnsố P v giảm bớt khi tăng độ lớn của M+N. Với giá trị cao của hệ số điều biếntần số , thnh phần sóng hi dòng điện dây sẽ dợc lọc khá tốt bởi đện kháng tảncủa động cơ v dòng điện dây tiến dần đến dòng điện hình sin chuẩn. Khi lựachọn hệ số điều biến tần số l một bội của 3, thnh phần nhân ba của tần sốdòng điện dây có thể bị triệt tiêu trên dây. Lựa chọn P phụ thuộc vo sự cânbằng giữa tổn hao của bộ nghịch lu v tổn hao sóng hi của động cơ. Khi tănggiá trị của P ( tơng đơng với tăng số lần đóng cắt trên một giây) sẽ lm tăngtổn hao trong đóng cắt của bộ nghịch lu nhng lại giảm đợc thnh phần sónghi trong động cơ.Nguyên lý của một bộ PWM cơ bản không có gì khác so với kĩ thuật trìnhby trong hinh 2.5. Điện áp đầu ra có thể tăng tuyến tính khi tăng hệ số điềubiến biên độ cho đến khi đạt giá trị đỉnh của điện áp ra l một điện áp của xungvuông. Khi hệ số điều biến tần số tăng lớn hơn 1 sẽ chuyển snag giai đoạn quáđiều biến, khi đó điện áp đầu ra không còn tuyến tinh với điện áp hình sin, quátrình điều biến chuyển sang giai đoạn quá điều biến. Khi chuyển sang giai đoạnquá điều biến sẽ xuất hiện các thnh phần sóng hi bậc cao của tần số sóng cơbản ( thông l bậc 3, 5, 7), các thnh phần ny l nguyên nhân chính chínhlm tổn hao trong máy điện tăng lên.Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4635Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWHình 2.6 : Tơng quan điện áp tam giác v điện áp raMặc dù mục tiêu của bộ nghịch lu l điều biến ra điện áp hình sin, xongđiện áp xung vuông hoặc xung hình thang cũng đợc chú ý đến. Những bộnghịch lu dạng ny đa ra điện áp xung có độ rộng đối xứng ở đầu ra bộnghịch lu. Điện áp đầu ra có thể đợc điều khiển tuyến tính trong dải từ 0 đếnđiện áp ra có dạng sóng hình vuông bởi điều chỉnh biên độ của sóng điều biến.Điện áp ra dạng xung vuông đối với động cơ không tốt bằng điện áp hình sin,nhng quá trình điều biến đơn giản hơn.3.2. Tơng quan tần sốVới những ứng dụng điều khiển tốc độ thay đổi thì điện áp v tần số raphải thay đổi nh hình vẽ ( Hình 2.7). Trong dải công suất cố định, điện áp racực đại của bộ nghịch lu có thể đạt đợc khi vận hnh bộ nghịch lu ở chế độxung vuông, nhng trong điều khiển dải mô men cố định thì điện áp đợc điềukhiển theo nguyên lý điều biến độ rộng xung. Ta mong muốn vận hnh bộnghịch lu với một hệ số điều biến tần số hon hảo, với sóng điều biến yêu cầuđối xứng với sóng mang trong trong ton bộ dải sóng. Một hệ số cố đinh P khitần số sóng mang giảm sẽ dẫn tới tần số sóng điện áp cơ bản giảm, điều nykhông đợc mong muốn do tổn hao sóng hi bậc cao ở điểm ny. Khi tần sốsóng cơ bản thấp, sóng mang của bộ nghịch lu đợc duy trì không đổi v bộnghịch lu vận hnh ở chế độ chạy tự do hay chế độ thiếu đồng bộ. ở chế độny hệ số P có thể không phải l số nguyên v pha có thể trôi liên tục. Điều nylm tăng vấn đề hi bậc ba với sự trôi của điện áp DC, nhng những tác hại củahiệu ứng ny có thể bỏ qua bởi một hệ tần số lớn. Theo sau dải thiếu đồng bộ lHong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4636Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWdải đồng bộ, tại đó P đợc biến đổi từng bớc vì vậy tần số sóng mang lớn nhấtv nhỏ nhất yêu cầu giới hạn trong phạm vi định trớc.Hình 2.7 : Tơng quan tần số sóng cơ bản v tần số sóng mangGần tần số gốc, xuất hiện quá trình quá độ của chế độ xung vuông, tại đótần số sóng mang có thể cho rằng giống nh tần số cơ bản. Bộ điều khiển đợcthiết kế một cách cẩn trọng vì vậy tại điểm có sự nhảy cấp của tần số không cósự nhảy cấp của điện áp.3.3. Phơng thức loại trừ sóng hiNhững sóng hi không mong muốn của xung vuông có thể bị loại bỏ vthnh phần điện áp cơ bản có thể đợc điều khiển một cách hiệu quả bằng nhữnggì đợc biết trong phơng thức loại trừ sóng hi. Trong phơng thức ny, nhữngkhoảng trống đợc tạo ra trên xung vuông tại những góc định trớc trên xungvuông, nh trong hình vẽ (hình 2.8). Trong hình vẽ, một nửa chu kì sóng điện ápra đợc trình by với một phần t sóng do đối xứng nhau. Có thể chỉ ra đây rằngbốn góc của khoản trống 1 , 2 , 3 v 4 có thể đợc điều khiển để loại trừ baHong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4637Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWthnh phần sóng hi v điều khiển điện áp sóng cơ bản đầu ra. Số thnh phần cơbản có thể bị loại trừ sẽ lớn hơn nếu dạng sóng đợc đa thêm nhiều góc khoảngtrống.Nguyên lý : Chuỗi Fourier tổng quát của sóng đầu ra có thể đa ra nhsau :v (t ) = (an cos nt + bn sin nt )n =1trong đó :+ an =+ bn =12 v (t )cos nt d t012 v (t )sin nt d t0Dạng sóng với 1/4 đối xứng, chỉ có sóng hi bậc lẻ với sóng hình sin tồntại.Vì vậy có thể viết :+ an = 0+ bn =4 /2 v (t )sin nt d t0Cho rằng sóng có biên độ đơn vị nh v(t) = 1, bn có thể biểu diễn khaitriển dạng :23K /24 1bn = (+1)sin ntd t + (1)sin ntd t + (+1)sin ntd t + ..... + (1)K 1 sin ntd t + (11)sin ntd t 012 K 1KSử dụng biểu thức tơng đơng :2 sin ntd t =11n( cos n1 cos n2 )đại lợng đầu v cuối có thể viết dới dạng :11 (+1)sin ntd t = n (1 cos n )10Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4638Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kW /21 sin ntd t = n cos n KKThay thế lên phơng trình trên ta có phơng trình tổng quát :bn =41 + 2 ( cos n1 + cos n 2 ... + cos n K ) n K4 1 + 2 (1)K cos n K n K =1Phơng trình trên bao gồm K giá trị thay đổi ( 1 , 2 , 3 , 4 ,...., n ) v yêu=cầu K phơng trình sin để giải. Với K số góc điện áp đầu ra đợc điều khiểnv K-1 sóng hi bậc cao bị loại trừ.Để ý, ở trờng hợp đơn giản, sóng hi bậc 5 v bậc 7 bị loại trừ v sóngđiện áp cơ bản đợc điều khiển. Sóng hi bậc ba v các sóng bộ ba có thể bỏ quanếu động cơ đợc đấu Y với trunh tính cách điện với đất. Với giá trị K=3 ta cóphơng trình của sóng bậc 5, bậc 7 v sóng cơ bản đợc viết nh sau :4+ Sóng cơ bản : b1 = (1 2cos1 + 2cos 2 2cos 3 )+ Sóng bậc 5 : b5 =4(1 2cos 51 + 2cos 5 2 2cos 5 3 ) = 054(1 2cos 71 + 2cos 7 2 2cos 7 3 ) = 07Phơng trình phi tuyến siêu việt ở trên có thể giải giá trị bằng số của điệnáp sóng cơ bản v các giá trị có thể xác định đợc. Giá trị đợc xác định ởcác điện áp khác nhau của đầu ra v đồ thị nh hình 2.8. Trong hình vẽ cũngtrình cũng trình by sóng hi bậc cao hơn đó l bậc 11 v 13, điều ny sẽ đợcqua tâm khi ta muốn loại trừ sóng hi bậc 11 v 13. Hiệu ứng của sóng hi bậccao rất nhỏ so với biên độ của sóng cơ bản. Điện áp sóng hi bậc 5 v bậc 7 cóthể bị loại trừ dến 93,34% (100% ứng với sóng hi xung vuông) khi 1 = 0 .+ Sóng bậc 7 : b7 =Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4639Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWHình 2.8 : Dạng điện áp ra trong phơng pháp loại trừ sóng hiKhi tần số cơ bản giảm, số lợng góc của khoảng trống có thể tăng vì vậycác sóng hi bậc cao hơn có thể bị loại trừ. Thêm vo đó số lợng góc khoảngtrống trên một nữa chu kì hoặc số chuyển mạch trong một giây sẽ xác định tổnthất đóng cắt của bộ nghịch lu. Một vấn đề khó khăn về số lợng góc khoảngtrống ở tần số thấp l bảng tra cứu góc cho bất kì một dạng sóng mẫu nokhông đợc phổ biến rông rãi. Để giải quyết lý do ny, một PWM phối hợp đợctạo ra, theo phơng thức ny thì tại dải tần số thấp ta sử dụng một phơng phápsin hoá v tại tần số cao ta sử dụng một phơng pháp sin hoá khác. Theo phơngthức ny, sự nhảy cấp của điện áp đợc điều khiển chính xác trong dải côngsuất lớn v tổn hao sóng hi bậc cao gặp phải trong quá trình sin hoá PWM đợcgiảm một cách căn bản. Phơng pháp loại trừ hi bậc cao có thể kéo di trongmột dải công suất không đổi, tại đó điều khiển điện áp để đạt hiệu suất caotrong hệ thống điều khiển có thể đạt đợc.3.4. Phơng thức dạng sóng dòng điện nhỏ nhấtMột sự không thuận lợi của phơng thức loại trừ sóng hi l loại trừ thnhphần hi bậc thấp, thnh phần ny mới l quan trọng. Hình 2.9 biểu diễn cácthnh phần sóng hi tần số cơ bản. Tổn hao sóng hi trong động có đợc quyếtđịnh bởi dòng điện gợn sóng hiệu dụng, nó l thông số cần phải nhỏ nhất đếntừng thnh phần. Tuy nhiên thông số ny rất nhỏ so với các thông số khác củađộng cơ, điều ny có thể không hon ton đúng, đặc biệt l động cơ rotor dâyquấn. Dòng điện sóng hi có thể tính theo công thức :Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4640Đại học Bách khoa H NộiĐồ án tốt nghiệpThiết kế bộ nghịch lu PWM 5kWI ripple = I 32 + I 52 + I 72 + I 92 + ... ===I 32m2+I 52m2+I 72m1 Vn 2 3 nS L 2+I 92m2+ ...2trong công thức trên :+ I3, I5,. : dòng điện hiệu dụng của các thnh phần sóng hi+ I3m, I5m: biên độ của dòng điện sóng hi+n: bậc của sóng hi+ Vn: độ lớn của đỉnh sóng hi bậc n+ S: tần số sóng cơ bản+L: hệ số điệm cảm tản của động cơ trên một phaTơng ứng ta có ta có tổn hao đồng trong động cơ do sóng hi gây ra :2PL = 3I ripple .Rtrong đó R l điện trở của một pha dây quấn.Để có đợc số lợng góc khoảng trống, giá trị Vn có thể đa ra bởiphơng trìnhbn =41 + 2 ( cos n1 + cos n 2 ... + cos n K ) n K4 1 + 2 (1)K cos n K n K =1Từ phơng trình Iripple thay Vn ta tìm đợc hm của góc khoản trống.giá trị góckhoảng trống có thể có đợc bằng lặp trên máy tính để tìm giá trị nhỏ nhất củaIripple. Điều chỉnh lại bảng tra cứu góc cơ bản dựa trên cơ sở tổn hao sóng hinhỏ nhất l mong muốn của phơng thức loại trừ sóng hi.=Hong Ngọc Tuân lớp TBĐ1 - K4641Đại học Bách khoa H Nội

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5kW docx
  • 140
  • 1,583
  • 5

Tải bản đầy đủ (.pdf) (140 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(1.49 MB) - Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu PWM 5kW docx-140 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×