Đồ án Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy Nguyễn Đình Hùng, cùng các thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử và các bạn đọc để đề tài này của chúng em ng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 IC ổn áp 7805 6

1.1.1 Sơ đồ chân 6

1.1.2 Chức năng 6

1.1.3 Ứng dụng 6

1.1.4 Một vài thông số của IC 7805 6

1.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 7

1.2.1 Cấu trúc và ký hiệu 7

1.2.2 Nguyên lý làm việc 8

1.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) 8

1.3 IC IR2110 9

1.3.1 Sơ đồ chân IR2110 9

1.3.2 Chức năng 11

1.4 IC SG3525 11

1.4.1 Sơ đồ chân 11

1.4.2 Chức năng 13

1.5 Nghịch lưu 13

1.5.1 Giới thiệu về nghịch lưu 13

1.5.2 Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa 14

1.5.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H 15

1.5.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha 16

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA 2.1 Sơ đồ khối toàn mạch 20

2.2 Tính toán, thiết kế mạch động lực 21

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 21

2.2.2 Tính toán chọn IGBT 22

2.2.3 Bảo vệ IGBT 23

2.2.4 Tính toán làm mát cho IGBT 24

2.2.5 Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT 26

2.3 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 26

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển 26

2.3.2 Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển 27

2.4 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch 28

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 28

2.4.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch 29

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ 3.1 Khảo sát tín hiệu ra của mạch điều khiển 30

3.2 Khảo sát tín hiệu ra của mạch khuếch đại 30

3.3 Tài liệu tham khảo 32

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp phải rất nhiều những vấn đề khó khăn

song với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô

giáo Khoa Điện – Điện Tử và sự lỗ lực không ngừng của cả nhóm, đến nay chúng em đãhoàn thành đề tài Tuy nhiên, do kiến thức của chúng em còn hạn chế, nên không thểtránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp

chân thành từ phía thầy Nguyễn Đình Hùng, cùng các thầy cô giáo Khoa Điện – Điện

Tử và các bạn đọc để đề tài này của chúng em ngày càng hoàn thiện và phát triển lên mứccao hơn trong thời gian gần nhất

Sau 1 thời gian thực hiện đề tài tại khoa, chúng em đã được học hỏi rất nhiều kinhnghiệm và kiến thức Các thầy cô gióa trong khoa đã nhiệt tình chỉ bảo Đặc biệt là sự

hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề

tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhận xét giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, cácthiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiềutrong 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 biếntần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảmứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiềuthành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máybay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tửcông 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: “Thiết kế và 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 nghiêncứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việchoàn 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 củamình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sótkhi 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

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 IC ổn áp 7805

1.1.1 Sơ đồ chân

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 78XXNhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC

- Chân số 1: Input (chân vào)

- Chân số 2: GND (nối mass)

- Chân số 3: Output (chân ra)

1.1.2 Chức năng

IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố định ởmức (+) xx V

- 78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)

- XX là 2 số của điện áp lấy ra

Lưu ý: Điện áp đầu vào của IC phải lấylớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên Ví dụ IC 7805thì Vin phải 8V trở lên

1.1.3 Ứng dụng

Được dùng để thiết kế các bộ nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho các mạch điệnkhông đòi hỏi điện áp ổn định quá cao

1.1.4 Một vài thông số của IC 7805

- Dòng cực đại có thể duy trì 1A

- Dòng đỉnh 2,2A

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán nếu

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Output voltage (Điện

Bảng 1.1: Một vài thông số của IC 7805

1.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

1.2.1 Cấu trúc và ký hiệu

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớpnối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter( tương tự cực gốc) vớicollector(tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET Vì thế có thểcoi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi mộtMOSFET

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tửđược hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collectorvượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạonên dòng collector

Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương của IGBT

1.2.2 Nguyên lý làm việc.

- Phân cực cho IGBT sao UCE >0,sau đó vào cực G một điện áp điều khiển Uge>0 vớimột giá trị đủ lớn Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện từ giống nhưMOSFET các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nêndòng Colector

- Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thường , trể khi mở khoảng0,15ms, trễ khi khóa khoảng 1ms Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dướidạng điện áp điều khiển là +-15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V

1.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area)

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giátrị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khikhóa, cũng như trong các quá trình đóng cắt

Khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hình thư hai thì điện ápnày là âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ởphía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Điều này có nghĩa

là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóngcắt công

suất càng suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor, SOAlại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiệndòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiểnlàm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của thyristor Tuy nhiên khả năngchịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn công suấtkhác Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao chotránh được hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor.Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn đượcdòng điện Ice trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạchbằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòngIce được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó Tiếp theo IGBTphải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quámạnh Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector

là điều cần thiết khi thiết kế IGBT

1.3 IC IR2110

IGBT là phần tử bán dẫn có tính nắng ưu việt như khả năng đóng cắt nhanh, công suấtđiều khiển nhỏ, thay thế cho các transistor công suất thường Vì thế, điều kiện mở khóacủa nó có những yêu cầu đặc biệt.Khó khăn trong việc điều khiển với sườn xung dựngđứng Thờigian tạo sườn xung chỉ cỡ 0.1us hoặc nhỏ hơn

Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực máng D cản trở tốc

độ thay đổ của tín hiệu điều khiển

1.3.1 Sơ đồ chân IR2110

Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110

Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110

Hình 1.5: Giản đồ sóng Input và Output của IC IR2110Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp

Chân 2: Phản hồi ở mức thấp

Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V

Chân 5: Điện áp treo trả về mức cao

Chân 6: Điện áp treo mức cao

Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao

Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20

Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức cao

Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt

Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức thấp

Chân 13: Chân cấp mass cho IC

1.3.2 Chức năng

Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối cùng là các driver.Tuy nhiên, do thời gian khóa của IGBT bị kéo dài và quá tải có thể bị kéo ra khỏi chế dộbão hòa, tổn thất trên phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử chính vì vật, driver choIGBT thường là các mạch lái(hybrid)- tức là một driver thường kết hợp các mạch bảo vệquá tải Đặc biệt, những driver cho IGBT công nghiệp là những mạch ghép phức tạp đểđảm bảo an toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc

IGBT sử dụng trong các mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ 2 đến hang chụcnghìn KHz Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phíaphần tử đóng cắt Vì vậy, để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110

IC SG3525 có những tính năng ưu việt hơn so với IC 4047 và IC TL494 như:

lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC, dễ điều chinh độ rộng xung ra,khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kì âm mà không gây hiện tượng trùng dẫn

Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525Chức năng các chân:

Chân 1: Đầu vào đảo

Chân 2: Đầu vào không đảo

Chân 3: Chân đồng bộ hóa., cho phép đồng bộ xung với bộ dao động gắn ngoài

Chân 4: Đầu ra xung của bộ dao động trong

Chân 5: Mắc với một tụ điện CT=0.1uF- 1nF

Chân 6: Gắn với một điện trở RT=2kΩ - 150kΩ

Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp và được mắc với một trở RD

Chân 8: Chân này nối với 1 tụ để khởi động êm hơn và chế độ soft – start được kích hoạtkhi so sánh với điện áp Vref

Chân 9: Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra ra sẽ bùnếu có sai lệch về xung

Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân này mức thấp PWM được kích hoạt còn khiở mức cao PWM được thiếp lập tức thời.

Chân 11 và chân 14: là các chân ra của tín hiệu điều khiển.Dòng ra định mức 100mA vàdòng đỉnh là 500mA Hai xung ra lệch pha nhau 1800

Chân 12: là chân mass của IC

Chân 13:Điện áp colector của transistor NPN được nối bên trong IC Điện áp cấp chochân này nên từ 9 đến 18V vì mosfet làm việc với điện áp thấp nhất là 8V và bị đánhthủng là 20V

Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ 8 đền 35V

Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5V cao nhất là 5.2 V thông thường là5.1 V

1.5 Nghịch lưu

1.5.1 Giới thiệu về nghịch lưu

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều.Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào

và đầu ra một cách chu kì để tạo nên đầu ra xoay chiều Khác với bộ biến tần việc chuyểnmạch được thực hiện nhờ lưới điện xoay chiều, còn trong bộ nghịch lưu hoặc trong bộđiều áp một chiều hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải

Các bộ nghịch lưu phân ra làm 2 loại :

- Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều

- Bộ nghịch lưu độc lập(với các nguồn độc lập như acquy, máy phát điện…)

Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển Mạchnghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so vớichỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thỏa mãn điều kiện ((/2 <  < ) lúc đó côngsuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều Tần số và điện áp nghịch lưunày 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 tùy ý Tần số vàđiện áp nghịch lưu nói chung có thể điều chỉnh được

1.5.2 Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa

a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha dùng máy biến áp có điểm giữa

b) Nguyên lý làm việc.

Sơ đồ gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyritstor anot nối vàocực dương của nguồn nuôi E thong qua hai nửa cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, do đócòn có tên là onduleur song song Ở đầu vào của onduleur dòng ta đấu nối tiếp với mộtđiện cảm lớn Lk vừa để dự trữ dòng điện vào vừa để hạn chế đỉnh cao của dòng điện ickhi khởi động Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch

Đặc điểm của onduleur dòng là có dòng điện tải dạng “ sin chữ nhật” còn dạng điện

áp trên tải thì do thong số mạch tải quyết định

Trong đó:

- 2n1 là tổng số vòng dây sơ cấp

- n2 là số vòng dây thứ cấp

- i,v là dòng và áp phía thứ cấp

+ Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết cho xung mở T1 Điểm A được T1 nối với cực âm của nguồn E Bây giờ V0-Va=u1=E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nên VB-V0=u1=E Như vậy tụ điện C được nạp điệp áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải

Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristir này mở và đặt điện thế điểm B vào mạch catot T1khiến T1 bị khóa lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để khóa T2 khi ta cho xungmở T1 Phía thứ cấp ta nhận đượng dòng “ sin chữ nhật” mà tần số của nó thuộc vào nhịpphát xung mở T1,T2

1.5.3 Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H.

a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha sơ đồ cầu H

b) Nguyên lý làm việc.

Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi thyritstor T1,T2 lệch pha với tín hiệu điềukhiển đưa vào đôi T3,T4 một góc 180 độ điện Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn do đódòng điện vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồndòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông Khi đưa xung vào mở cặpvan T1,T2, dòng điện i =i d=I d Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến,tụ C bắt đầunạp với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm vềkhông Do i = i c=i d=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 vào mở cặp T3,T4 Cặp T3,T4 mở tạo ra quátrình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-) Dòng phóng ngược chiều với dòng qua

T1,T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại Quá trình chuyển mạch gần như tức thời Sau đó

tụ C sẽ nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái Dòngnghịch lưu i¿i d=−i d ( đã đổi dấu) Đến thời điểm t =t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2thì T3,T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Thyritstor Tạithởi điểm t1, khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặtvào Khoảng thời gian duy trù điện áp ngược (t1¿t '1¿¿ ¿ là cần thiết để duy trì quá trìnhkhóa và phục hồi tính điều khiển của van và t '1−t1=t k ≥ t off là thời gian khóa củaThyritstor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển

β=w.tk là góc khóa của nghịch lưu

c) Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch.