Báo cáo bài tập dài cuối kỳ đề tài tạo điện áp hình sine 12v ac từ nguồn 24v dc

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về nghịch lưuBộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoaychiều.. Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các van bán dẫn chuyển mạch

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

**********************

BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI CUỐI KỲ

Đề tài: Tạo điện áp hình Sine 12V AC từ nguồn 24V DC

Học phần: Vi điều khiển và ứng dụng (EE4422)

Mã lớp: 137194

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Quang

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về nghịch lưu 1

1.2 Nghịch lưu nguồn áp một pha 1

1.2.1 Cấu tạo 1

1.2.2 Nguyên lý làm việc 2

1.2.3 Xác định điện áp đầu ra 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN 7

2.1 Van bán dẫn IRFZ44 7

2.2 Diode IN4007 7

2.3 IC LM358 7

2.4 LM7805 8

2.5 LM7815 9

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP 1 PHA 11

3.1 Thông số thiết kế 11

3.2 Tính chọn van chuyển mạch 11

3.3 Thiết kế bộ điều khiển điện áp 11

3.3.1 Xác định hàm truyền mô hình 11

3.3.2 Thiết kế điều khiển 13

3.3.3 Kết quả mô phỏng Matlab 13

3.3.4 Mô phỏng trên Proteus 15

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 17

4.1 Mạch lực và điều khiển 17

4.2 Mạch đo điện áp RMS 17

4.3 Tải 17

4.4 Đáp ứng điện áp đầu ra 18

4.4.1 Tải bóng đèn 18

4.4.2 Tải thay đổi 18

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về nghịch lưu

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoaychiều Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các van bán dẫn chuyển mạch làm thayđổi cách nối đầu vào và đẩu ra một cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều

Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại:

- Nghịch lưu nguồn áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều.

- Nghịch lưu nguồn dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều.

Trong nghiên cứu này sẽ tập chung vào nghịch lưu nguồn áp

1.2 Nghịch lưu nguồn áp một pha

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp thành nguồn áp xoay chiều vớitần số tùy ý Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơnnữa, điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo nhiều phương pháp khácnhau để có thể giảm được sóng hài bậc cao

Trước kia, nghịch lưu nguồn áp bị hạn chế vì ứng dụng công suất của cácvan động lực còn nhỏ Hơn nữa, việc sử dụng nghịch lưu nguồn áp bằngThyristor khiến hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp

Ngày nay, công nghệ phát triển cùng với đó là các van động lực IGBT,GTO, MOSFET có khả năng truyền công suất lớn và có kích thước nhỏ gọn hơn

Do đó, nghịch lưu nguồn áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóatrong các bộ biến tần công nghiệp

Dưới đây là sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha sử dụng van điều khiểnhoàn toàn Trong quá trình nghiên cứu, giả thiết các van động lực là các van bándẫn lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằngkhông

1.2.1 Cấu tạo

Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp cầu một pha

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.1 Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là S1, S2, S3, S4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng về lưới và như vậy, tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ điện C1 và C2 được lắp đặt song song nguồn để đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn một chiều (Do nguồn một chiều thường được cung cấp bởi chỉnh lưu) Như vậy, tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời các tụ này còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp.

1.2.2 Nguyên lý làm việc

Hình 1.2 Xung điều khiển các van bán dẫn

- Trạng thái 1 (v o =V¿,i o>0): Khi S1 và S4 đang dẫn, dẫn đến điện áptrên tải bằng V¿ Cùng lúc đó, dòng điện dương sẽ đi qua tải Trạngthái được thể hiện như hình 1.3a Công suất truyền p o =v o(t).i o(t)>0,công suất được truyền từ nguồn đến tải

- Trạng thái 2 (v o =−V¿,i o<0): Khi S2 và S3 đang dẫn, dẫn đến điện áptrên tải bằng −V¿ Cùng lúc đó, dòng điện âm sẽ đi qua tải Trạng tháiđược thể hiện như hình 1.3b Công suất truyền p o =v o(t).i o(t)>0, côngsuất được truyền từ nguồn đến tải

- Trạng thái 3 (v o =0,i o>0): Trạng thái này được tạo bởi hai hoạt độngkhác nhau Đầu tiên là sự dẫn của D2, S4 và thứ hai là sự dẫn của S1

và D3 Trong trạng thái này, điện áp đầu ra bằng không và dòng tảidương được thể hiện trên hình 1.3c và hình 1.3d Do điện áp đầu rabằng 0 nên công suất truyền được tính p o=0 Vậy không có công suấttruyền từ nguồn tới tải và ngược lại

- Trạng thái 4 (v o =0,i o<0): Trạng thái này được tạo bởi hai hoạt độngkhác nhau Đầu tiên là sự dẫn của D1, S3 và thứ hai là sự dẫn của S2

và D4 Trong trạng thái này, điện áp đầu ra bằng không và dòng tảidương được thể hiện trên hình 1.3e và hình 1.3f Do điện áp đầu rabằng 0 nên công suất truyền được tính p o=0 Vậy không có công suấttruyền từ nguồn tới tải và ngược lại

- Trạng thái 5 (v o =V¿,i o<0): Trong trạng thái này, D1 và D4 dẫn khiếnđiện áp đầu ra bằng V¿ và cùng lúc đó, dòng điện âm đi qua tải Trạngthái này được thể hiện ở hình 1.3g Lúc này, công suất sẽ được trả từtải về nguồn do p o =v o(t).i o(t)<0 Đây là trạng thái tái sinh

- Trạng thái 6 (v o =−V¿,i o>0): Trong trạng thái này, D2 và D3 dẫn khiếnđiện áp đầu ra bằng −V¿ và cùng lúc đó, dòng điện dương đi qua tải.Trạng thái này được thể hiện ở hình 1.3h Lúc này, công suất sẽ đượctrả từ tải về nguồn do p o =v o(t).i o(t)<0 Đây là trạng thái tái sinh.

Hình 1.3 Các trạng thái đóng cắt Bảng 1.1 Các trạng thái của nghịch lưu cầu một pha

Khi p o>0, năng lượng đi từ nguồn tới tải

Khi p o<0, năng lượng từ tải tới nguồn

Khi p o=0, không có năng lượng được truyền.

Hình 1.4 Các dạng điện áp đầu ra a) Độ rộng điện áp = 120o ; b) Xung điều khiển S1, S2, S3, S4; c) Điện

áp ra tải trở; d) Điện áp ra tải trở - cảm; e) Điện áp ra tải trở - dung.

1.2.3 Xác định điện áp đầu ra

Hình 1.5 Dạng điện áp đầu ra

Điện áp đầu ra v o được thể hiện như hình 1.5 Sử dụng chuỗi Fourier để biểu diễn, ta được:

V¿ = điện áp DC đầu vào

Như hình 1.5 có thể thấy, điện áp đầu ra v o là một hàm lẻ, đối xứng Do vậy phương trình PT 1.1 trở thành:

2

¿V¿√δ π

PT 1.5

Với δ là độ rộng xung điều chế điện áp đầu ra

- Tổng biến dạng sóng hài (Total harmonic distortion – THD%) cần nhỏ

hơn 5% Độ biến dạng này được xác định theo công thức:

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN 2.1 Van bán dẫn IRFZ44

Maximum average forward rectified

current 0.375" (9.5 mm) lead length at

Maximum full load reverse current, full

cycle average 0.375" (9.5 mm) lead

length TL = 75 °C

I R(AV) 30 μA

Rating for fusing (t < 8.3 ms) I2t 3.7 A2s

Operating junction and storage

2.3 IC LM358

- Sơ đồ chân

- Một số thông số cơ bản

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN

ÁP 1 PHA 3.1 Thông số thiết kế

- Điện áp DC đầu vào: 24 V DC

Ổn định điện áp với tải thay đổi

- Dòng điện trên tải (max): 1 A AC

- Tạo tín hiệu hình sine tần số 50Hz

- Tần số đóng cắt van 5 kHz

- Sai số điện áp ra: ± 5 %

3.2 Tính chọn van chuyển mạch

- Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm:

+ Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp

+ Làm việc với điện áp cao

+ Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản

Vậy chọn van có điện áp làm việc > 48 V

Từ các điều kiện tính toán trên và điều kiện thực tế, chọn van IRFZ44 với các tham số như sau:

3.3 Thiết kế bộ điều khiển điện áp

3.3.1 Xác định hàm truyền mô hình

Dựa vào thực nghiệm và mô phỏng, ta có thể xác định được đáp ứng giá trị điện áp hiệu dụng của bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1 pha được thể hiệnnhư trên hình 3.1

Hình 3.6 Đáp ứng điện áp RMS chưa có bộ điều khiển

Có thể thấy, đáp ứng hệ thống hình 3.1 dạng khâu quán tính bậc 2 nhưhình 3.2

Hình 3.7 Đáp ứng của khâu quán tính bậc hai

Khâu quán tính bậc hai có dạng: G(s)=(1+T1s k)(1+T2s),T1>T2

Vậy ta có thể xác định được các giá trị sau từ hình 3.1 và hình 3.2:

- Hằng số k theo thời gian: k=h(∞)=16,98

- Gián đoạn bộ điều khiển theo phép biến đổi Tustin:

Nhập vào matlab các câu lệnh sau:

z - 1

3.3.3 Kết quả mô phỏng Matlab

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng

- Nhận xét: Điện áp đầu ra đã đạt hình sine Giá trị hiệu dụng = 12,4 V,

có sai lệch so với giá trị đặt tuy nhiên nằm trong phạm vi sai số đã thiết

kế là 5%

3.3.4 Mô phỏng trên Proteus

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Mạch lực và điều khiển

4.2 Mạch đo điện áp RMS

4.3 Tải

4.4 Đáp ứng điện áp đầu ra

4.4.1 Tải bóng đèn

4.4.2 Tải thay đổi