Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha

MỤC LỤC trang

CHƯƠNG I Giới thiệu một số van bán dẫn công suất… ………… 5

1.1 Diode công suất ……… ……… 5

1.2 Transistor công suất ……… 7

1.3 Mosfet công suất ……… 8

1.4 Thyristor ……… 12

CHƯƠNG II Tổng quan về mạch nghịch lưu một pha 14

2.1 Tổng quan về nghịch lưu 14

2.2.Nghịch lưu độc lập 14

2.2.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa 15

2.2.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha 18

2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha 21

CHƯƠNG III Tính toán và thiết kế mạch 25

3.1.Tính toán máy biến áp 25

3.2.Mosfet công suất IRF3205 26

3.3.Thiết kế mạch điều khiển 28

3.4 Mạch lực 33

3.5 Mạch cách ly .34

3.6 Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống 36

Hướng phát triển của đề tài 38

Kết luận 39 Tài liệu tham khảo.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, tháng 11 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn

NGUYỄN TRUNG THÀNH

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết

bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại Vì vậy

để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em

được nhận đồ án môn học với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha”

Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc

hoàn thiện sản phẩm Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy NGUYỄN ĐÌNH HÙNG cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn

thành xong đồ án của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Ngành đào tạo : Kỹ Thuật Điện

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha

 Số liệu cho trước:

- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm ĐTCS.

- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn

 Nội dung cần hoàn thành:

1 Lập kế hoạch thực hiện

2 Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng và nguồn áp

3 Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:

- S = 300VA;

4 Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn

5 Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải 2.5cm; lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 13 Cấu trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn

Nguyễn Trung Thành

Ngày giao đề tài: 21-9-2012 Ngày hoàn thành:

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MỘT SỐ VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,đó làcác van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn.Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò

1.1 Diode công suất

a)cấu tạo

Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN Diện tích bề mặt tiếp giáp được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm2 Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-

1250 Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất

-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa của diode Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:

u = UD0 + iDRD

Trong đó: UD0(V); ID (A); RD (Ω)

-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và điện áp ngược mà diode chịu được Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng ∞ theo chiều ngược.

1.2 Tranzisto công suất ( Transistor lưỡng cực BJT ).

Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn.Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu

b) Cấu tạo transistor thuận PNP

Hình 1.4 Cấu tạo transistor thuậnCông suất tổn thất trong Tranzistor khi làm việc với tải xác định nhỏ hơn nhiều lần so với công suất tổn thất khi transistor chuyển trạng thái Tích công suất chuyển trạng thái pc với thời gian chuyển trạng thái tc là năng lượng tổn thất trong quá trình chuyển trạng thái Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của transistor, khi đó nhiệt độ bên trong Tranzistor không được vượt quá 200oC.Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do Tranzistor chuyển trạng thái gây nên người ta dùng các mạch trợ giúp Việc sử dụng các mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tranzistor làm việc ở các điều kiện sau :

f > 5 kHz hoặc VC∞ ≥ 60V, IC > 5A

1.3 MOSFET công suất

MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong

ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số và

mạch điện tử công suất lớn

dẫn ( ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic).Lớp bán dẫn có 2 loại nên có 2 loại MOSFET : NMOSFET hay PMOSFET Thông thường chất bán dẫn được chọn là silíc nhưng có một

số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), ví dụ như hãng IBM Ngoài silíc và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali asenua

có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể dùng để chế tạo các transistor MOSFET

+) MOSFET được chia làm hai loại:

-MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn

-Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay P Ta xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P

1.3.1 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục

a)Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.5 Cấu tạo MOSFET kênh liên tục

b)Đặc tính

Hình 1.6 Đặc tính ra MOSFET kênh liên tục

1.3.2 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn

a)Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.7 Cấu tạo của MOSFET kênh gián đoạn

Khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng lớn Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi là điện áp ngưỡng UGS(T) hay UT Khi UGS<UT thì dòng cực máng ID = 0

Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc vào điện áp trên các đầu cuối Với transistor NMOSFET thì ba chế độ đó là:

-Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn)

-Triode hay vùng tuyến tính

xỉ 5 Thường giá trị khuyến cáo là 10V Khi điện áp lớn hơn 15 bắt đầu có nguy cơ đánh thủng Vgs Khá nguy hiểm là khi bị thủng MOSFET thường dẫn luôn dẫn đến dễ nổ Trong mô hình của MOSFET có một cái tụ ký sinh từ gọi là Cgs cần quan tâm đến tụ này khi thiết kế mạch Hai giá trị quan trọng cần quan tâm khi thiết kế là:

- Vds max:Thường khi thiết kế dùng dưới 2/3 giá trị này Ví dụ Vds Max của IRF540

là 100V Cho nên dùng nó để điều khiển các động cơ 24V là hợp lý Khi bị quá áp MOSFET cũng bị nổ to

- Imax dòng max của MOSFET thường rất cao so với BJT cùng loại vỏ nhưng khi dùng chú ý công suất tiêu tán để tản nhiệt cho thích hợp

1.4 Thyristor

a)Cấu tạo và kí hiệu:

-Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J1, J2, J3 Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G

j 2

j 1

j 3

K G

*Khi UAK > 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược, lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện dò

-Nếu ta thực hiện tăng UAK đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất Uth,max thì xẽ sẩy ra hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàng chảy qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì Idt thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận ( giống như diode) Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thể thay đổi lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi

b> Trường hợp IG > 0

*Khi UAK > 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng IG > 0 thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trình chuyển điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với UAK nhỏ hơn.

*Khi UAK < 0 thì quá trình sẩy ra cũng tương tự trường hợp IG = 0

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA 2.1 Tổng quan về nghịch lưu.

Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu

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

xoay chiều

Phân loại: nghịch lưu về cơ bản được chia làm hai loại:

- Nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều

- 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 α của các tiristo thoả mãn điều kiện (π/2 < α <π ) 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.

2.2 Nghịch lưu độc lập

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành dòng xoay chiều với tải độc lập không phụ thuộc vào lưới điện Dòng xoay chiều có thể biến đổi được với tần số mong muốn nên cũng gọi là thiết bị biến tần gián tiếp Gián tiếp vì thường để có nguồn một chiều phải có một khâu chỉnh lưu Ở một số tài liệu kỹ thuật thiết bị này được gọi là “ nghịch lưu ôtonôm” hay onduleur

Như đã nói nghịch lưu độc lập được phân làm ba loại là nghịch lưu độc lập dòng, nghịch lưu độc lập áp và nghịch lưu độc lập cộng hưởng Người ta cũng có thể phân loại theo số pha một pha, ba pha, cầu Ở nghịch lưu độc lập dòng ở đầu vào phải có điện cảm

Ld lớn và tụ đảo mạch được nạp theo luật không chu kỳ Dòng đầu vào Id là liên tục, phẳng không nhấp nhô nghĩa là nguồn cung cấp ở thiết bị này là nguồn dòng.Trong nghịch lưu độc lập cộng hưởng tải có điện cảm lớn, cùng với các phần tử R, L, C của mạch tạo nên mạch vòng dao động RLC và có cộng hưởng áp Tần số riêng của mạch cộng hưởng phải cao hơn hoặc bằng tần số công tác của nghịch lưu độc lập.Trong nghịch lưu độc lập áp nguồn cung cấp cho nó phải là nguồn áp (máy phát phải có điện trở trong nhỏ)

Lĩnh vực áp dụng chủ yếu của nghịch lưu độc lập dòng và áp là biến đổi tần số, cung cấp điện xoay chiều cho các thiết bị xoay chiều và phục vụ cho các T.Đ.Đ có điều chỉnh tần số.Các nghịch lưu độc lập cộng hưởng được dùng có lợi khi tần số ra khoảng 1÷2 KHz Cấp cho các thiết bị nhiệt điện, thiết bị siêu âm và các truyền động cao tốc

2.2.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa

a)Sơ đồ nguyên lý

b)Dạng sóng và điện áp

Dạng sóng u’ và i’ với tải điện cảm

Ở hình trên vẽ khoảng dẫn các linh kiện bán dẫn Ta nhận thấy mọi chuyển mạch ở

dòng điện không bằng không tạo nên giữa một linh kiện có điều khiển và 1 diode Tính chất này chung cho các bộ nghịch lưu áp Do máy biến áp có điểm giữa, điện áp trên cực khoá chuyển mạch hở bằng 2 lần điện áp nguồn một chiều U ta gọi bộ nghịch lưu nhân đôi điện áp

1

2

m

I n n

Hiệu dụng:

Ihd =

2

1 ' 2

1

2

m

I n n

I I

I hd

τ

π π

D1,D2,D3,D4:là các diod đẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi

is:là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa

- Khi is >0 thì nguồn cung cấp năng lương cho tải(các thyristor dẫn dòng)

- Khi is <0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các diod dẫn dòng)

C:là tụ lọc

tải i > 0 và tăng chảy theo chiều từ A→B

Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng

Khi t = T/2 cho xung mở T2 và T4 , T1 và T3 bị khoá lại, dòng tải chảy qua D2 và D4

khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khoá lại Khi t = t3, i = 0, T2 và T4 sẽ mở lại , i < 0

chảy theo chiều từ B→A Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im

và -Im Các xung điều khiển Thyristor thường là xung chùm

* Biểu thức của dòng tải i:

+ Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3 ta có phương trình:

Dưới dạng toỏn tử Laplace ta cú:

2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha :

Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều

có tần số tùy ý

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp nguồn cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào (Ld) thường có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thời, dòng qua tụ

C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không

Do iN = iC + iZ = Id = const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp van T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-” Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khóa lại Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời Sau đó, tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở bên phải và “-” ở bên trái Dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu

Đến thời điểm (t = t2) người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước Như vậy, chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristor Ở thời điểm t1, khi mở T3, T4, tiristor T1, T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên