tổng quan về công nghệ nghịch lưu độc lập

Giới thiệu về nghịch lưu độc lập: Bộ nghịch lưu độc lập hay ôtônôm là thiết bị biến đổi từ tĩnh từ dòng điện một chiều sang xoay chiều có tần số bất kỳ.. Các dạng nghịch lưu kích thích

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NGHỊCH LƯU

1.1 Giới thiệu về nghịch lưu độc lập:

Bộ nghịch lưu độc lập hay ôtônôm là thiết bị biến đổi từ tĩnh từ dòng điện một chiều sang xoay chiều có tần số bất kỳ

Căn cứ vào phương pháp điều khiển các bộ nghịch lưu, ta có thể chia chúng thành 2 nhóm:

a) Tự kích: Đó là hệ thống nghịch lưu, trong đó các tín hiệu mở tiristo được tạo nên do bộ điều khiển lấy từ điện áp ra Nghịch lưu này có hệ thống điều khiển đơn giản và có khả năng tự động thay đổi tần số ra

b) Bộ nghịch lưu có kích thích độc lập: Đó là những bộ nghịch lưu mà ở hệthống điều khiển của nó có chứa một máy phát xung có dạng bất kỳ

Các dạng nghịch lưu kích thích độc lập có độ ổn định và điều chỉnh tần số ra tốt, vì nó được xác định bởi một máy phát xung độc lập với tải và với điện áp nạp cho mạch lực

1.2: Phân loại nghịch lưu:

Có thể chia các loại nghịch lưu thành 2 nhóm nghịch lưu lớn:

- Nghịch lưu áp

- Nghịch lưu dòng

a) Nghịch lưu điện áp:

Nghịch lưu điện áp có đặc điểm sau:

-) Điện áp ra có dạng hình chữ nhật, có giá trị không đổi, còn đường cong của dòng phụ thuộc loại tải

-) Nguồn điện cung cấp làm việc như máy phát suất điện động, vì vậy trong thực tế cần phải mắc song song một tụ điện lớn

-) Khi tải có tính cảm kháng nhất thiết phải sử dụng điôt ngược để đảm bảo sự cân bằng năng lượng cảm kháng

-) Đặc tính tải Utải = f(Itải) có dạng nằm ngang

-) Dòng ra gồm dòng tải và dòng chuyển mạch tiristo của tụ điện có dạng hình chữ nhật, còn điện áp phụ thuộc vào các thông số tải.

-) Nguồn điện cung cấp làm việc như nguồn dòng vì thế phải mắc nối tiếp với nó một cuộn kháng lớn

-) Khi tải có tính cảm kháng, sự cân bằng công suất kháng thực hiện bằng tụ điện chuyển mạch vì vậy tải tổng hợp nhất thiết phải có đặc tính dung kháng

-) Đặc tính tải có dạng đường thẳng nghiêng

Vì phương pháp chuyển mạch và thiết bị chuyển mạch xác định tính chất bộ nghịch lưu, nên ngoài cách phân loại trên đây căn cứ vào cách nối tụ điện chuyển mạch người ta còn chia nghịch lưu thành các loại sau:

Bộ nghịch lưu song song: Đây là bộ nghịch lưu mà các tụ điện chuyển mạch

mắc song song với tải

Bộ nghịch lưu nối tiếp: Trong nghịch lưu nối tiếp, tải trực tiếp hoặc gián tiếp

tham gia vào thành phần nối tiếp mạch cộng hưởng được kích thích bằng mở tiristi một cách chu kỳ Ngắt tiristo bằng cộng hưởng

1.3:Các đặc điểm của nghịch lưu độc lập

3 Ổn định điện áp ra khi thay đổi hệ số công suất tải

4 Không đứt đoạn trong công tác, có thể chịu được ngắn mạch ở mạch xoay chiều

5 Có thể làm việc ở chế độ không tải

6 Có khả năng nhận được dạng điện áp ra gần hình sin nhất

7 Không bị dao động khi nạp động cơ dị bộ hoặc đồng bộ

8 Có độ phi đối xứng giữa các pha nhỏ khi tải phi đối xứng

9 Đơn giản và có số lượng van ít

10 Có hiệu suất biến đổi năng lượng lớn

11 Có khả năng thay đổi thứ tự pha

1.4.1: Nghịch lưu 1 pha dùng Tranristor:

1.4.2.Nghịch lưu 1 pha dùng Thyristor:

+ Muốn thay Tranristor = Thyristor thì ta phải tiến hành khóa cưỡng bức trước khi mở van

R1 V1

R1 V1

C3 C4

L1

L2

L3 L4

(L1, L4; L2, L3 được quấn trên 1 lõi thép, cùng số vòng)

Sơ đồ cầu 1 pha dùng thyristor có các phần tử chuyển mạch, các phần tử L, C

1.4.3 Nghịch lưu 1 pha PWM (Pulsc width modulation):

* Để thực hiện phương pháp PWM cần thực hiện các bước sau:

+ Tạo một tín hiệu hình sin có tần số bằng tần số ra mong muốn, biên độ

+ Tạo tín hiệu dạng tam giác, biên độ AP cố định, tần số cố định và lớn

+ Dùng một khâu so sánh, so sánh 2 tín hiệu trên giao điểm của 2 tín hiệunày sẽ quyết định thời điểm đóng mở các van tương ứng.

=> Có 2 phương pháp điều biến: Phương pháp PWM đơn cực

Phương pháp PWM lưỡng cực

* TH1: PWM đơn cực:

- Trong nửa chu kì dương của tín hiệu hình sin, sóng mang có biên độ

Để hạn chế chuyển mạch ở nửa chu kì, người ta mở 1 van nào đó

tín hiệu tam giác

* Nhận xét:

+ Trong một chu kì mong muốn ở đầu ra van chuyển mạch nhiều lần.+ Với 1 tần số sóng điều biến như nhau thì phương pháp này có lượng sóng hài bậc cao ít hơn phướng pháp PWM lưỡng cực

* TH2:PWM lưỡng cực:

cao sẽ thấp nhất

van

- Điện áp trên tải có giá trị ±E

* Biến tần xung vuông là 1 TH đặc biệt của PWM lưỡng cực

1.5 Nghịch lưu nguồn dòng:

Bộ nghịch lưu có nguồn 1 chiều là nguồn dong điện Bộ nghịch lưu dòngđược sử dụng trong lĩnh vực truyền động động cơ xoay chiều, và cho là cảmứng

Tương tự bộ nghịch lưu áp, ta phải phân biệt bộ nghịch lưu dòng với quátrình chuyển mạch cưỡng bức và bộ nghịch lưu dòng với quá trình chuyển mạch

tự nhiên

Bộ nghịch lưu dòng có quá trình chuyển mạch cưỡng bức được áp dụngcho tải tổng quát.Trong trường hợp tải mang dung kháng, bộ nghịch lưu có thể

sử dụng với quá trình chuyển mạch phụ thuộc và sử dụng linh kiện bán dẫn nhưthyristor

1.5.1 Nghịch lưu nguồn dòng 1 pha:

V1

Đối với nghịch lưu dòng ba pha Tại mỗi thời điểm có 1 công tăc ở nhanh trên dẫn và 1 công tắc ở nhanh dưới dẫn Mỗi công tắc dẫn điện trong 1/3 chu kì.

* Nguyên tắc điều khiển:

+ Một chu kì nguồn ra chia làm 6

Trong nguồn áp, mỗi khoảng mở 3 van nhưng trong nguồn dòng, mỗi khoảng mở 2 van:

1.6 Yêu cầu công nghệ:

- Biến đổi được nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều để sử dụng với các mục đích khác nhau

- Đảm bảo tính lien tục và chất lượng, tin cậy

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

iC giảm dần, itải tăng dần.

2.1.2 Nghịch lưu nguồn áp dùng Tranzitor

V1

Hiện nay có rất nhiều phương pháp từ đơn giản đến phức tạp để biến đổi

từ nguồn 12VDC lên 220VAC.Cách đơn giản nhất là nghịch lưu không điều khiển tức là không khống chế(điều khiển được điện áp ra).Phức tạp hơn là điện

áp ra được điều khiển và giữ ở một giá trị ổn định.Đại diện cho cách điều khiển này là phương pháp PWM

xung hoặc là điều khiển sau biến áp xung.Tùy theo người thiết kế chọn lựa theo cách điều khiển nào.Em xin trình bày sơ đồ nghịch lưu đơn giản như sau:

*Giải thích sơ đồ:

- Nguồn DC 12V : Cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống điều khiển

- CD4047: Tạo cặp xung dạng chữ nhật lệch pha nhau

- Khuếch đại xung 1 : Khuếch đại xung từ CD4047

- Mosfet đẩy kéo : Mạch 2 Mosfet đóng mở theo chu kì xung(Mắc kiểu đẩy kéo)

- Phối hợp biến áp : Kết hợp biến áp và mạch đóng cắt Mosfet

- Cầu chỉnh lưu : Chỉnh lưu điện áp xoay chiều từ thứ cấp biến áp thành nguồn 1 chiều có điện áp cao(Vài trăm volt)

- Cầu H Mosfet : Tạo ra dòng xoay chiều có điều khiển

- Điều khiển góc mở: Nhận tín hiệu giá trị điện áp đầu ra để đưa ra lệnh điều khiển phù hợp.Bộ này bao gồm các Opamp, bộ phát xung 50Hz

- Khối khuếch đại xung 2:Khuếch đại tín hiệu để điều khiển cầu H

Nguồn cấp 12VDC

CD4047 tạo xung Khuếch đại xung Mosfet đẩy kéo máy biến ápPhối hợp

Cầu chỉnh lưu

Cầu H Mosfet

Khuếch đại xung

Điều khiển góc mở

Tín hiệu điện áp nguồn

50Hz

raU

t

t

*)Tóm tắt quá trình : Đầu tiên CD4047 tạo xung 1khz, xung này được khuếchđại lên và đưa vào mạch đẩy kéo dùng Mosfet.Thông qua biến áp xung thì điện

áp được đưa lên khoảng 120V và có dạng chữ nhật.Nhờ mạch chỉnh lưu tạo ranguồn 1 chiều 120V.Bộ điều khiển góc mở có nhiệm vụ điều khiển mạch cầu Hnhắm tạo ra điện áp ổn định xoay chiều tần số 50 Hz

2.2.1-Tính toán cho mạch trước biến áp(Mạch điều khiển)

Ta thực hiện tính toán theo chiều từ mạch đầu ra quay ngược về mạchđầu vào

Theo đề bài yêu cầu thì công suất ra là 220V-1500VA,như vậy thì phần

sơ cấp của máy biến áp cũng phải có khả năng cung cấp 1 công suất cực đại là1500W(nếu coi việc truyền công suất là 100%).Nhưng thực tế thì khả năngtruyền công suất không bao giờ đạt đuợc 100%, do vậy công suất làm việc phía

sơ cấp thường lớn hơn.Để tăng hiệu suất máy biến áp ta dùng máy biến ápxung.Với loại biến áp này thì lõi từ làm từ ferait cho nên có khả năng làm việcvới 1 tần số rất cao( vài trăm Khz) và kích thước nhỏ gọn.Còn biến áp thường

có lõi làm từ tôn silic thì dải tần công tác hẹp hơn và hiệu suất không cao vàkồng kềnh

Với công suất đầu ra là S2=1500W, U=220V -> dòng thứ cấp là

1500

%

2

Mà acquy là 24V, bỏ qua điện trở acquy và tổn thất rơi trên các van công

12

1579 12

(Các dòng điện tính chính xác một cách tương đối)

Dạng sóng biến đổi qua biến áp ở đây ta dùng là sóng chữ nhật.Tần số

Ta dùng các acquy có dung lượng tương đối.Các chướng ngại trên acquy

là hiện tượng tự phóng điện, nạp quá no, bản cực bị sunfat hoá, đoản mạchaccquy, sự mất nước Để tránh các chướng ngại trên , trong sử dụng, ta cầnphải chú ý tới nhiệt độ làm việc của ăcquy (thường là 20 độ là thích hợp vànhiệt độ cho phép không quá 50 độ) Nếu nhiệt độ làm việc bị tăng, sẽ gây rahiện tượng tiêu hao dung lượng một cách vô ích, mặc dù ăcquy không nối vớitải tiêu thụ Acquy chính là yếu tố để tạo ra đặc tính không gián đoạn Và đểtăng thời gian duy trì cung cấp điện cho tải, ta cần tìm cách để tăng năng lượng

cứ vào điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu rồi lấy đó làm cơ sở điều khiển độ rộngxung.Với cách này thì cho độ chính xác cao nhưng phải làm việc với điện ápcao.Thứ hai là ta căn cứ trực tiếp vào điện áp trên 2 cực của acquy mà đưa raphương án điều khiển.Cách này thì không chính xác cho lắm nhưng điều khiển

dễ dàng và làm việc với điện áp thấp

*Giới thiệu về CD4047

Cấu tạo bên trong như sau:

Ý nghĩa các chân:

Chân 1 : Nối tụ tạo dao động

Chân 4,5 : Đầu vào mạch trạng thái không bền

Chân 6,8 : Đầu vào mạch trigger đơn ổn

Chân 7 : GND

Chân 9 : Chân reset ngoài

Chân 10 : Đầu ra Q

Chân 12 : Đầu đặt lại trạng thái

Chân 13 : Chân đưa dao động ra ngoài

Chân 14 : Vcc(3V-18V)

- Ta dùng CD4047 ở chế độ Free-Running

4 4

1

Hz Ct Rt

f =

Như vậy độ rộng xung ra là ~ 0.02s

Vì không có điều kiện để dùng biến áp xung nên em dùng biến áp thường, do

đó tần số làm việc tốt nhất loại biến áp này trong dải 45hz-55hz

Ta chọn tần số đầu ra Q là 50hz, như vậy ta có thể chọn đựợc C=100nF, R=45.2k(Mắc nối tiếp 2 điện trở 22k)

10 x 1000 x 45.2 x 4.4

* Ta có sơ đồ kết nối như sau:

2.2.2Mạch khuếch đại xung

- Với mạch dùng transistor thì sơ đồ như sau:

Tín hiệu từ đầu ra của CD4047 cần được khuếch đại để có thể mở Mosfet sao cho mosfet làm việc trong vùng bão hòa.Cấu trúc sơ đồ này dùng chung cho tất cả các mạch khuếch đại xung trong hệ thống( có thể giá trị linh kiện thay đổi chút ít)

R 3 7

1 k

1 2

3 4 5 6 7 8 9

1 2 V

1 2 V

đúng tín hiệu tương ứng ở đầu ra.Đầu ra và đầu vào có trạng thái ngược nhau

Sơ đồ dùng ULN thì tốn kém về mặt linh kiện nhưng nó lại có hiệu quả trong những mạch có số kênh điều khiển lớn

Để tiết kiệm ta có thể dùng sơ đồ mắc Transitor

Tín hiệu sau khi khuếch đại được đưa thẳng vào cực G của 2 Mosfet.ở đây

em dùng IRF540N, loại này chịu điện áp khoảng 100V, dòng làm việc đỉnh là33A, ở đây em chỉ xin làm bộ nghịch lưu công suất nhỏ hơn nhiều so với thiếtkế.IRF 540 là Mosfet kênh N.Tốc độ đóng cắt khá lớn

Ta không được mắc các diode hoàn năng lượng trong trường hợp này vìnếu mắc vào thì năng lượng của cuộn sơ cấp bị triệt tiêu sau khi khóa mosfet,như vậy điện áp cuộn thứ cấp bị giảm rất nhiều

Ta nên mắc các diode song song với mosfet nhằm hỗ trợ thêm diode nộicủa mosfet trong việc ngăn ngừa dòng ngược chảy qua mosfet

2.2.4 Tính toán biến áp xung

Biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều.Nếu lí tưởng, một

phần năng lượng nhất định

Biến áp dùng trong trường hợp này thì có thể là biến áp xung hoặc biến ápthường.Biến áp xung là loại biến áp có lõi làm từ ferait, độ dẫn từ tốt, ít tổn thấtnăng lượng, có khả năng làm việc ở tần số rất cao cỡ Khz, hiệu suất có thể đạt97%

Còn về biến áp thường thì có lõi làm từ tôn silic, vùng tần số làm việc

bộ biến đổi mà người thiết kế chọn dùng loại nào cho phù hợp.Thực tế mà nói thì đa phần sản phẩm đều dùng biến áp xung cả.Ta đi tính biến áp xung như sau:

N

44 , 4

10000 x 4cm x 1Khz x 4.44

10 2

* Tính tiết diện dây quấn

Tiết diện dây quấn

2 ) (mm I

2

8 65

D

Chú ý là cách tính trên là tương đối.Trong khi chạy thử ta cần điều chỉnhlại số vòng dây.Nếu số vòng dây bé thì tổng trở cuộn dây nhỏ làm tăng dòngqua Mosfet gây nóng Mosfet.Ngược lại nếu số vòng dây lớn thì tổng trở cuộndây lớn làm giảm dòng qua Mosfet, như thế thứ cấp sẽ không đạt đến công suất

Thực ra việc tính trên chỉ là tính toán lí thuyết trong thiết kế.Như đã nói

ở trên do điều kiên không cho phép cho nên em sẽ dùng biến áp thường thay thếcho biến áp xung.Chấp nhận hiệu suất biến đổi không cao

Loại biến áp em chọn có dòng điện lớn nhất cho phép chạy trong sơ cấp

là 8A Như vậy công suất lớn nhất ở sơ cấp là 96W

2.2.5 Mạch chỉnh lưu(Có kết hợp mạch lọc và mạch chống quá áp, quá dòng):

Để chuyển điện áp thứ cấp thành điện một chiều ta dùng mạch chỉnh lưucầu dùng diode.Sơ đồ mạch như sau:

§iÖn ¸p cao 1 chiÒu

Bốn diode nắn điện áp xoay chiều thành 1 chiều, tụ điện 10uF, 33nFsan bằng điện áp 1 chiều và chống xung gây nhiễu nguồn không mong muốntrong mạch.Đèn led được bố trí nhằm thông báo có điện áp ở đầu ra.Vì điện áp

có dạng xung chữ nhật liên tục cho nên điện áp chỉnh lưu là rất phẳng.Giá trịhiệu dụng điện áp xoay chiều sẽ bằng với giá trị điện áp sau chỉnh lưu( bỏ quađiện áp rơi trên diode)

Như vậy ta đã có điện áp cao 1 chiều 120VDC

điều kiện trên.

BYM56-B: Điện áp ngược là 400V ;Dòng chịu 3,5(A)

Vì điện áp cuộn thứ cấp khá cao cho nên để đảm bảo trong vận hànhthì ta cần mạch bảo vệ quá áp.Có thể dùng điện trở mắc nối tiếp với tụ điện, giátrị 2 phần tử này tính toán khá phức tạp, phải căn cứ vào lõi biến áp, đườngcong làm việc…Trong thực tế việc tính chọn chủ yếu theo kinh nghiệm

Q1 và Q2 là mosfet kênh P.

Q3 và Q4 là mosfet kênh N

- Nguyên lí hoạt động của mạch như sau:

Em điều khiển theo nguyên tắc mở từng cặp van Q1 với Q4, Q2 với Q3.Trước hết ta phải đảm bảo điều kiện xung điều khiển Q3 và Q4 khôngđược xuất hiện đồng thời nếu không thì sẽ bị ngắn mạch

Ta muốn điện áp hiệu dụng này ổn định thì phải điều chỉnh góc mở hợp lí

Gọi β là góc mở xung điều khiển, điện áp hiệu dụng ở đầu ra là:

π

chữ nhật.Dạng sóng này chứa nhiều sóng hài Chất lượng điện áp ra không tốt,không nên dùng cho các tải cảm(động cơ….) Về phần chọn Mosfet thì căn cứvào tần số làm việc là 50Hz, điện áp khoảng 120V, dòng 7,27A thì ta có thể

CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Sơ đồ khối điều khiển như sau:

điện áp 1 chiều từ mạch thứ cấp với tín hiệu xung tam giác.Tùy vào điện áp sosánh là cao hay thấp mà độ rộng xung thay đổi theo.Đồ thị như dưới:

E d

t 0

U d k

+

-U 2 B

L M 3 2 4

5 6

sóng chuyên dụng, nếu không thì có thể biến từ sóng vuông thành sóng tamgiác.Sơ đồ chuyển từ sóng vuông thành tam giác như sau:

) ( ).

( 4 4

1

13 34 35

C R R R

f

+ +

C Ura

Mạch dùng transistor thì sóng tam giác ra không tuyến tính, dùng opamptốt hơn.Opamp dùng trong mạch là IC LM324( thay thế bằng HA17324 cũngđược)

thêm 1 xung đảo của nó nữa, mục đích là muốn driver riêng rẽ từng kênh.Sau

đó đưa thẳng tới mạch lái ( driver ) cho cầu FET

+

Ura

3.2.2 Mạch lái (driver) dùng IR2110

IR2110 là IC chuyên dụng trong việc hỗ trợ mở cầu MOSFET, hạn chếhiện tượng chập mạch do mở nhằm cặp MOSFET.Sau đây là sơ đồ dùngIR2110 làm mạch lái:

* Kết Luận: Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gìmình đã được học trong môn Điện tử công suất Hiểu được những ứng dụngthực tế của các thiết bị công suất trong đời sống cũng như trong công nghiệp.Tuy nhiên do nội dung mới mẻ, tầm hiểu biết vẫn còn hạn chế, hơn nữa đây là

đồ án đầu tiên của em nên không tránh khỏi những sai sót Em mong các thầychỉ bảo thêm để hoàn thành tốt hơn các đồ án tiếp theo Em xin cảm ơn

* Tài Liệu Tham Khảo: Điện tử công suất – PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn