thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha công suất 500va

Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất.. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, cò

Trường đại học hàng hải

Khoa điện – điện tử tàu biển

THIẾT KẾ MÔN HỌC

MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề bài: bài số 14

Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha

Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế

Thiết kế bộ nghịch lưu 1

pha

Nguồn cấp:Uv=12VDCNguồn ra:Ur=220VACCông suất:500VA

Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Văn Tuân

Sinh viên: Phạm Minh Nghĩa

Hải phòng ,năm 2012

Mạch nghịch lưu dùng tranzitor công suất 2n3055

Mạch nghịch lưu 1 pha dùng mosfet

Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài Điện áp đầu ra của 4047 là 11V ở mức cao và 0.05 V ở mức thấp

Điện áp vào 12VDC ,điện áp ra 220VAC, công suất 500W

2.4 Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ

2.6 Tính chọn máy biến áp

Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển

3.1.Trình bày sơ đồ cấu trúc tổng quát

3.2 Các khâu điều khiển

Khâu tạo xung

Khâu khuếch đại

Khâu biến áp

3.3 Tính toán các khâu điều khiển

3.4 Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh

Tài liệu tham khảo :

Giáo trình điện tử công suất (Trần Trọng Minh);

Giáo trình điện tử công suất (Nguyễn Bính);

Giáo viên huớng dẫn : Sinh viên:

Thầy: Đoàn Văn Tuân Phạm Minh Nghĩa

Nhận xét của giáo viên huớng dẫn:

số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt các dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn

và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ

Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ

đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn

có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hoá.

Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng Sự phát triển củatruyền động điện nó đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950 Tuy nhiên, những ứng dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủyngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp

Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor công suất ra đời

Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện Kể

từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển

Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn

Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành

năng lượng xoay chiều

Phân loại: Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại.

- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều.

- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ác quy, máy phát một chiều )

Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở  của các tiristo thoả mãn điều kiện (/2 <  < ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều

Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý Tần số và điện áp nghịch lưu Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến

áp có trung tính

Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:

- Nghịch lưu độc lập điện áp

- Nghịch lưu độc lập dòng điện.

- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng

1.2 Yêu cầu của công nghệ

Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phần lớn là linhkiện công suất Mạch sử dụng các van bán dẫn công suất như Transistor, MOSFET, IGBT…Trong quá trình chạy mạch thì xung tạo ra là xung

vuông và được khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor,

Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất

2.1: Một số phương án mạch công suất

a.Phương án 1: Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công

suất T1 và T2 dao động đa hài phát ra tín hiệu đóng Hai Transistor T1

và T2 mắc cùng với bốn điện trở, trong đó có sử dụng trở công suất thành mạch tạo ra xung vuông

Dùng các cổng logic : Có thể dùng các cổng logic như các cổng

NAND, NOR, cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400

Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC

4047B, là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC

khuyếch đại thuật toán

Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay chiều nhưng có nhược điểm độ ổn định không cao

Khi được cấp nguồn 4047 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha nhau 180 độ Diode của PC phat sáng có xung trên Colecto của PC Xung điện áp đối xứng kích mở cho K956, K956 dẫn dòng làm cho máy biến áp điểm giữa xuất hiện dòng điện trong cuộn sơ cấp ở cả hai nủa chu kỳ

Hình dạng thực tế của mosfet irf 3205

b Tính toán máy biến áp

zt u2

Sơ đồ nguyên lý máy biến áp

Ta lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì nguồn 12v từ acquy sẽ vào trực tiếp điểm giữa của máy biến áp Và mạch nghịch lưu sử dụng ic tạo xung vuông

2 nửa chu kỳ do đó máy biến áp phải là điểm giữa để đối xứng tín hiệu phát

ra từ ic

Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 500VA

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2*U11 = 2.12 = 24( V )

Công suất của máy biến áp: P =  *U2*I2

Trong đó: P là công suất của máy biến áp

U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp

I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp

 là hiệu suất máy biến áp Chọn  = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp

1

I

I U

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V )

I1 = 24.47(A)Công suất máy biến áp cần chọn:

P1 = U1 I1 = 24 *24.47 = 587.4 (W)Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 600W với I = 25A

-Thiết diện máy biến áp

Thiết diện có ích S của lõi thép, tính bằng cm2: bằng thiết diện vật lý (dài * rộng) nhân với hệ số ghép

S=a*b*k

K từ 0,85 đến 0,95, tùy chất lượng lõi thép

Công suất máy biến áp : S=1,2√ P (căn) suy ra P=S^2/1.44 (S bình chia 1,44)

vậy để công suất tầm 500W trở lên thì lõi sẽ là S=1,2 x

sprt(500)=26,83(cm2)

Chiều dài , chiều rộng của lõi sẽ là , 3,5 cm và 7,7 cm

- Thiết diện dây quấn

Thiết diện dây sơ cấp: Asc = 2,5/I1 (2,5 là mật độ dòng điện)

Đường kính dây sơ cấp: Asc=π dsc^2/4 (n nhân d sơ cấp bình phương chia 4)

dsc= √ (4Asc/π) :bán kính dây sơ cấp

Với mạch 500W của chúng ta thì :

Thiết diện Asc = 2,5/2.67=0.93

Đường kính của dây là: sprt((4 x 0.93)/3,14)= 1.08 cm ở đây chúng ta chọn dây 11mm hay 11 li

Thiết diện dây thứ cấp: Atc = 2,5/I2

Đường kính dây thứ cấp: Atc=π dtc^2/4

Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 40C

Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là

Tr = Tj – RJV PTrong đó Theo datasheet của hãng chế tạo IRF3205 ta biết được tổn hao cực đại là 50W

50

- Mạch điện được tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA

là 2.67A Để tránh hiện tượng làm việc quá tải hay ngắn mạch gây sự cố pháhỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ là cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm việc được xác định

ICC = K.I = 1,5* 2.67= 4.005 (A)Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2.67A ; điện áp 250V loại cắt

3.2.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển :

Nhiệm vụ

Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển

mở bằng xung và khoá bằng xung nên mạch điều khiển phải có các chức năng sau :

- Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện

áp đặt lên colector và emitor của van

- Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khoá van trong nữa chu kì còn lại

- Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc chắn

- Tạo ra đươc tần số theo yêu cầu

- Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định

- Cách ly với mạch động lực

Yêu cầu chung về mạch điều khiển là :

Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau :

Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển:

Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn Tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép

Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :

Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van

Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển :

Phải làm việc tin cậy trong mọi môI trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi, có từ truờng

Yêu cầu về lắp ráp và vân hành :

Chức năng của các chân:

chân 1: chân đưa tín hiệu vào của hồi tiếp

chân 2: chân nhận tín hiệu hồi tiếp

chân 3:dùng để kết hợp với các xung khác cho đồng bộ

chân 4: tín hiệu ra osc ( không dùng)

chân 5: định tần số của xung pwm

chân 6: định tần số dao động

chân 7: chân xả

chân 8: nối với tụ để làm khởi động êm

chân 9: chân bù

chân 10: bật tắt hoạt động của chíp

chân 11: phát xung nửa chu kỳ đầu

chân 12 :nối đất

chân 13: cấp dương

chân 14 : phát xung nửa chu kỳ còn lại

chân 15:nối dương

chân16 : nguồn duơng

Datasheet

Sơ đố khối

Chế độ hoạt động

Mạch ổn áp xung hoat động theo 2 nguyên tắc: một là điều xung PWM với tần số cố định ,hai là điều tần với xung vuông Xung này được đưa từ bộ phát xung vào chân gate cua MOSFET công suất ,điều dòng bật tắt qua cuộncảm tạo điện thế ra,và được lọc bằng tụ điện

Hai điện thế ở ngõ ra đượ hồi tiếp về chân 1 và 2 Hai chân này sẽ điều chỉnh độ tắt mở xung phát ra PWM Xung này sẽ điều khiển đóng mở cho MOSFET qua 2 đầu ra 11 và 14.

Xung ra ỏ chân 11 và chân 14 seư thay đổi nhờ chân 1 và 2

Khi dòng tải tăng làm cho điện thế ngõ ra giảm ,tín hiệu hồi tiếp giảm ,mạchđiều xung sẽ tăng thời gian bật làm MOSFET công suất bật lâu hơn ,làm tăng năng lượng qua biến thế ,đưa điện thế lên cao.Khi dòng tải giảm thì quátrình ngược lại Quá trình này sẽ làm ổn định hệ thống

Các chân 5 và 6 được nối với tụ và trở để ổn định tần số giao động và phãt xung PWM Chân 8 được nối mát để việc khởi đọng được êm

Chân 10 sẽ bật tắt hoạt động của chip

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ mạch in: