Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha công suất 500w

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hà Nội, tháng 5, năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

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

em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha công suất 500w” Với đề tài được giao, 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 Trường Giang cùng

với sự cố gắng nỗ lực 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 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

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện:

Chuơng 1: Tổng quan về NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 1 PHA

1.1 Tổng quan về công nghệ

Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, các phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham 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 thủy ngân 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

1.1 Khái niệm nghịch lưu độc lập 1 pha

được san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng dạng dòng điện của nghịch lưu (iN) có dạng xung vuông.

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 = Idnhưng đã đổi dấu

Hình 1.1 Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha.

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

Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 ÷ t’

1 = tk ≥ toff; toff là thời gian khóa của tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển

ω.tk = β là góc khóa của nghịch lưu.

1.1.2 Nghịch lưu áp một pha

Nghịch lưu áp là thiết bị đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều

ba pha với tần số tuỳ ý

Nguồn áp là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Hơn nữa, điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Hơn nữa, việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristor khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày nay, công suất các van động lực như: MOSFET, GTO càng trởnên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó, sơ đồ nghịch lưu

áp được trình bày dưới đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn

Trong quá trình nghiên cứu, ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử

lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không

*) Cấu tạo:

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậytránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều) Như vậy, tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, và điện áp đầu vào được san phẳng)

1.2 Nguyên lý làm việc của nghịch lưu áp 1 pha

Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ2) cặp van T1, T2 dẫn điện; phụ tải được đấu vào

nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải là Ut = E (hướng dòng điện là đường nét đậm) Tại thời điểm 0 = θ2, T1 và T2 bị khoá, đồng thời T3 và T4 mở ra Tải

sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều

và Ut = -E tại thời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4

về tụ C (đường nét đứt)

Hình 1.2 Nghịch lưu áp cầu một pha.

Tương tự như vậy, khi khoá cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải it, dòng qua diode iD và dòng qua tiristor được biểu diễn như trên hình 1.2.2

Hình 1.2.2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha.

1.3 Phương pháp điều khiển Nghịch Lưu

Phương pháp điều chế độ rộng xung được sử dụng rộng rãi để điều khiển các bộ nghịch lưu 1 pha

Có hai phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu cầu một pha là phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực và điều chế độ rộng xung lưỡng cực Có nhiều loại điều khiển bộ nghịch lưu áp

Có thể kể đến như phương pháp điều khiểntheo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế

độ rộng xung tối ưu (optimum PWM),

phương pháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, …Các phương ph

áp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt Thôngthường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mô

phỏng và true sin (thuần sin).Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong dưới đây Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dể dàng bằngcách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định Do đó, giá thành rẻ Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này

Hình 1.3 Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)

Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp Tuy nhiên, trong đề tàinày ta chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) vì các ưu điểm của nónhư:

§ Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)

§ Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều

§ Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển

§ Giá thành không quá đắt

§ Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp

Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation- PWM)

Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ PWM được sử dụng một cách rộng rãi Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điềukhiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng

Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tínhiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác Tín hiệu chuẩn phải có dạng sintần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạngsóng răngcưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuẩn Khi tín hiệu sóng mang lớnhơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ nhất (mức thấp) còn ngượclại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao)

Quy trình này được mô tả trong hình 1.4 Trong đó, tín hiệu sóng mang (xung

tamgiác) có màu đỏ, tín hiệu sin chuẩn có màu đen Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệuở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạchcầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo)

Hình 1.4 Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM

Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay người ta thường dùng vi điều khiển

để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đemso sánh với nhau Sử dụng vi điều khiển có nhiều ưu điểm:

Độ ổn định cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh.Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz Khả nănng điều khiển chính xác, sai số đầu

ra có thể đạt đến 1% Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM Ngoài ra,

ta còn có thể sử dụng các cổng còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…

Để khuếch đại tín hiệu PWM để tránh nhiễu cho các khóa người ta thường sử

dụngtransistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác (ở đây ta dùng IC ULN2804) Các cấu hình cầu hoặc bán cầu đã được nói ở trên thường được sử dụng trong trường Các cấuhình cầu sử dụng 4 linh kiện chuyển mạch và thường được gọi là

cầu H (H Brigde) dohình dạng của nó.

1.3 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

(Điện áp vào 12VDC điện áp ra 220VAC côn suất 500VA

2.1 Tính toán và thiết kết mạch động lực

2.1.1 Tài liệu cho trước

- Điện áp ở cuộn dây sơ cấp là U1=12 V

- Điện áp ở cuộn dây thứ cấp là U2=220 V

- Công suất yêu cầu là 500VA

2.1.2 Tính toán máy biến áp

Lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và mặt kĩ thuật phương án lựa chọn này là tối ưu

zt u2

Hình 2.1 Sơ đồ máy biến áp điểm giữa

Máy biến áp có các thông số: U11 = U12=12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P

=500VA

Công suất của máy biến áp ta giả định chọn: P = U2.I2 = 500(W)

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

2.1.2 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch

Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau:

+ 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

2.1.3 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET

- Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp:

- Để tránh hiện tượng làm việc quá tải hay ngắn mạch Mạch điện được tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA gây sự cố phá hỏng 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 nhanh

CHƯỜNG 5 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

5.1 Tính toán và thiết kết mạch động lực

5.1.1 Tài liệu cho trước

- Điện áp ở cuộn dây sơ cấp là U1=12 V

- Điện áp ở cuộn dây thứ cấp là U2=220 V

- Công suất yêu cầu là 500VA

5.1.2 Tính toán máy biến áp

Lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và mặt kĩ thuật phương án lựa chọn này là tối ưu

zt u2

Hình 5.1 Sơ đồ máy biến áp điểm giữa

Máy biến áp có các thông số: U11 = U12=12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 500VA

Công suất của máy biến áp ta giả định chọn: P = U2.I2 = 500(W)

Trong đó: P là công suất của máy biến áp

U là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp