THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA

Thiết kế bộ nghịch lưu điện áp thấpThông số: Nguồn cấp 24VDC, Nguồn ra 110VAC, Công suất 750VA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC

MÔN :ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI:

THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA.

Yêu cầu:Thiết kế bộ nghịch lưu điện áp thấp Thông số:

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Mục lục

Lời nói đầu

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NGHỊCH LƯU.

1.1 Giới thiệu về công nghệ

1.2 Yêu cầu công nghệ

1.3 Phạm vi ứng dụng

CHƯƠNG II:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT.

2.1 Một vài sơ đồ công suất nghịch lưu có liên quan

CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu tổng quát

3.2 Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết

3.3 Tính toán các khâu điều khiển

3.4 Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh

KẾT LUẬN

Tài liệu tham khảo

Đoàn Văn Tuân Hoàng Thị Loan

MỤC LỤC Trang

Mục lục 1

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NGHỊCH LƯU. 5

1.1 Giới thiệu về công nghệ 5

CHƯƠNG II:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT. 9

2.1 Một vài sơ đồ công suất nghịch lưu có liên quan 9

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ

2.6 Tính chọn máy biến áp

CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 23

3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu tổng quát 233.2 Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết 233.3 Tính toán các khâu điều khiển 233.4 Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh 29

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào công nghiệp nói chung và công điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiế bị này là hết sức cần thiết đối với các kỹ sư ngành điện Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống Điện tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn thất thấp trong lò cao tần, truyền tải điện một chiều Các thiết bị điện tử công suất mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng

Điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong các mô hình công nghệ

và được thiết kế điều khiển năng lượng Dòng điện, điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động

cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện

Môn học Điện tử công suất là một trong những môn học chủ yếu để đào tạo sinh viên ngành tự động hóa nói riêng và sinh viên ngành kỹ thuật nói

chung Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa, em đã từng bước tiếp cận được với môn học Để nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, ở học kỳ này em được thầy giao cho đồ án môn học với đề tài: : “ Thiết kế bộ nghịch lưu áp một pha “ Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng vào thực tế rất lớn Các thiết bị nghịch lưu ngày càng phát triển và được sử dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp mà

Với sự cố gắng của bản thân, cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa, đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Đoàn Văn Tuân đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này

Do lần đầu tiên làm đồ án môn học Điện tử công suất kinh nghiệm chưa có nên em không tránh khỏi mắc sai sót, mong các thầy giúp đỡ

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NGHỊCH LƯU

1.1 Giới thiệu về công nghệ

1.1.1 Khái niệm về nghịch lưu:

Nghịch lưu (inverter) là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều với tần số ra cố định

hoặc thay đổi

1.1.2 Phân loại nghịch lưu:

2 loại :

+Nghịch lưu phụ thuộc:hoạt động phụ thuộc vào điện áp

lưới,tham số điều chỉnh là góc mở α được xác định theo tần số và pha của lưới xoay chiều dùng trong quá trình chỉnh lưu

+Nghịch lưu độc lập:hoạt động với tần số ra do mạch điều

khiển quyết định và có thể thay đổi tùy ý,tức là độc lập với lưới điện.

-Nghịch lưu độc lập lại phân loại như sau

*Theo nguồn năng lượng được biến đổi

+Nghịch lưu điện áp:đầu vào và ra là áp

+Nghịch lưu dòng điện:đầu vào và ra là dòng

+Nghịch lưu cộng hưởng

*Ngoài ra còn phân loại theo tải của thiết bị :1 pha hoặc 3 pha

VAC theo yêu cầu.

-Từ nguồn VDC điện áp thấp nâng lên VDC điện áp cao sau

đó nghịch lưu sang VAC

Các bộ nghịch lưu trên thị trường hiện nay có thể chia làm hai loại chính, phân biệt dựa trên dạng sóng đầu ra của nguồn AC: sin mô phỏng và sin thuần Dạng sóng của sin mô phỏng gần với xung vuông hơn là sin Các bộ nghịch lưu loại này có giá thành thấp và do đó có tính cạnh tranh tương đối tốt tuy nhiên có rất nhiều thiết bị không hoạt động được khi sử dụng loại nghịch lưu này như máy in laser, máy tính xách tay, động cơ, đồng hồ số và cá thiết bị y tế…

1.2 Yêu cầu công nghệ

Biến đổi từ nguồn 1 chiều thành nguồn xoay chiều cung cấp cho tải 1 năng lượng điện liên tục,chất lượng cao,không phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp,đặc biệt là các sự cố xảy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào của hệ thống (như quá

+Mưa gió,sương giá,cây cối gãy đổ làm đứt đường dây,việc đào đường thi công cũng có thể làm đứt cáp ngầm dưới đất.

+Ảnh hưởng của các thiết bị điện dùng điện :động cơ khi khởi động gây quá áp,các hệ thống điện tử công suất cao,những thiết bị gây nhiễu…

Các sự cố này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng,ảnh

hưởng tới các công ty,xí nghiệp công nghiệp hoặc sinh hoạt hàng

ngày,đặc biệt là với các thiết bị công nghệ thông tin,điện tử,viễn

thông,y tế…việc mất điện dù chỉ 1ms cũng có thể làm mất hết thông tin,làm rối loạn quá trình trao đổi dữ liệu máy tính,chậm truyền tin,tê liệt chức năng…gây thiệt hại rất lớn về kinh tế.Nói chung nhu cầu cần

1 nguồn điện liên tục và tin cậy,chất lượng đang ngày càng trở nên cấp thiết.Công nghệ nghịch lưu ra đời đã đáp ứng 1 phần yêu cầu trên.Trên thị trường hiện nay có rất nhiều lựa chọn cho các bộ nghịch lưu với rất nhiều mức giá, cấp chất lượng, hiệu suất và công suất khác nhau Các bộ nghịch lưu sin thuần thường sử dụng các linh kiện số công suất cao và đắt tiền trong khi đó các bộ nghịch lưu sin mô phỏng rất đơn giản do không có phần tạo xung phức tạp tuy nhiên điện áp đầu ra chứa nhiều nhiễu có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị nhạy cảm, ví dụ thiết bị y tế.Các bộ nghịch lưu sin thuần cho phép sử dụng được tất cả các loại thiết bị Các bộ nghịch lưu này còn giảm thiểu tiếng ồn trong các thiết bị do có độ méo thấp.Các bộ nghịch lưu này

sử dụng kỹ thuật điều biến độ rông xung (PWM) để tạo ra sin gần thuần với nhiễu rất nhỏ.có hiệu quả và giá thành thấp và có thể ứng dụng thực tế trong sản xuất

1.3 Phạm vi ứng dụng

-Bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu của các bộ biến tần,được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện,các hệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều,truyền tải điện năng HVDC( high

voltage direct curent)-truyền tải điện cao áp một chiều,luyện kim,các

bộ biến đổi cho các nguồn năng lượng mới,làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình,hệ thống chiếu sáng,bộ chuyển đổi nguồn ở

những nơi không có điện lưới như trên oto phục vụ cho các thiết bị quạt,ti vi,trong lĩnh vực bù nhiễu công suất phản kháng…

-Nếu sử dụng inverter sóng vuông thì chỉ sử dụng hạn chế cho máy tính, TV, VCD, đèn thắp sáng vì dòng điện nó tạo ra có nhiều sóng hài Nếu dùng cho quạt điện, sóng hài tạo ra tiếng kêu và nóng động cơ, lâu dài dẫn đến cháy tụ khởi động và các cuộn dây Để dùng cho quạt và các phụ tải động cơ, biến áp cần dùng Inverter sóng sin

-Ứng dụng trong các bộ lưu điện UPS đang được phổ biến hiện nay.UPS là 1 nguồn điện dự phòng,cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì hoạt động của các thiết bị điện khi xảy ra sự cố,đảm bảo an toàn

dữ liệu và an toàn hệ thống

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT.

2.1 Một vài sơ đồ công suất có liên quan

Nghịch lưu áp 1 pha có thể sử dụng 1 trong 3 sơ đồ sau

2.2 Phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất

2.2.1 Sơ đồ cầu

Sơ đồ này cho phép điều chỉnh tỉ số biến đổi nhờ điều khiển không đối xứng quá trình đóng mở các cặp van.Bằng cách điều chỉnh góc lệch pha giữa quá trình đóng ,mở các van ta có thể điều chỉnh được điện áp hiệu dụng ra tải.Từ

đó cá khả năng điều chỉnh dạng điện áp ra gần sin hơn.Tuy nhiên việc tính

toán điều khiển đóng mở các van nói chung khá phức tạp để tránh hiện

tượng trùng dẫn gây ngắn mạch nguồn

2.2.2 Sơ đồ bán cầu

-Với sơ đồ này ta chỉ có thể tiến hành điều chỉnh tần số của điện

áp phụ tải U nhờ thay đổi thời gian đóng ,mở của các khóa điện T1 và T2 mà không thay đổi được giá trị hiệu dụng U của điện áp xoay chiểu ở đầu ra của

bộ biến đổi vì điện áp U trên tải có trị số hiệu dụng không đổi

-Đồng thời cần 2 nguồn đối xứng nhau

Sơ đồ này phải sử dụng biến áp có điểm giữa nên mạch cồng kềnh,đồng thời điện áp hiệu dụng ra trên tải cũng không thay đổi được,nó luôn là

Chỉ sử dụng 1 nửa số van nên sụt áp trên mạch van giảm 1 nửa so với sơ đồ cầu.Điện áp ra có dạng xung vuông

2.3 Chọn mạch công suất phù hợp

Do yêu cầu tăng áp từ 24VDC lên 110 VAC nên em lựa chọn mạch theo sơ đồ hình tia,sử dụng biến áp có điểm giữa kết hợp đẩy kéo khuếch đại công suất.Sơ đồ mạch như sau:

-Trong nửa chu kỳ đầu khóa T1 đóng và T2 mở nên:

2n U

1

2

=

E 1

n22n

U =

Điện áp ra có dạng xung vuông.

2.4 Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch

-Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động

khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

-Mosfet là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có thể sử dụng ở chế độ đóng cắt.Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trường nên quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ,đi liền với đó là việc làm mát cho mosfet tương đối đơn giản.Do ở dải công suất nhỏ nên em

i

u

θ

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 =>

do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

Em sẽ thiết kế làm mạch thật,do còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện nên các thông số tính toán của em chỉ mang tính chất tương đôi,trong thực tế em sẽ điều chỉnh cho phù hợp.

Giả sử ta chạy với tải 100W-220V,vì có sẵn acquy 12VDC-5Ah (acquy xe máy) nên

em sử dụng luôn làm nguồn cung cấp cho mạch.Khi đó ta có dòng tải chính là dòng thứ cấp

I2=100/220=0,45(A) Khi đó dòng sơ cấp là :I1=0,45x 220/12=8,3(A)

Đây chính là dòng chạy qua mosfet,căn cứ vào đó em chọn loại mosfet IRF540 có các

Vdss=100V Rds=44mΩ

Mạch như sau:

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ

- Không được mắc các diot hoàn năng lượng vì nếu mắc vào thì khi khóa mosfet năng lượng của cuộn sơ cấp sẽ bị triệt tiêu do đó làm giảm áp ra bên thứ cấp

- Nên mắc các diot song song với mosfet nhằm hỗ trợ thêm diot nội của mosfet trong việc ngăn dòng ngược chảy qua mosfet.Em dùng diot

Biến áp có 2 loại biến áp xung và biến áp thường

*Biến áp thường:có lõi làm từ tôn silic,dài tần số công tác thấp thường khoảng 50Hz,hiệu suất không cao và cồng kềnh

Theo đề bài yêu cầu thì công suất ra là 110V-750VA,thì phần sơ cấp của máy biến áp cũng phải có khả năng cung cấp 1 cong suất cực đại là

750VA(nếu coi H=100%).Nhưng thực tế khả năng truyền công suất không bao giờ đạt 100%,năng lượng sẽ bị tổn thất 1 lượng nhất định qua hệ thống truyền tải,do vậy công suất làm việc phía sơ cấp của máy biến áp thường lớn hơn.Để tăng hiệu suất của máy biến áp ta dùng biến áp xung

*Biến áp xung:Là loại biến áp có lõi là ferit hay hợp kim pemeloid,tần số làm việc cao cỡ Khz,hiệu suất làm việc cao ~ 95%

Máy biến áp xung dùng để biến đổi điện áp dạng xung tần số cao Nó có thể dùng để khuếch đại xung điều khiển, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực Vật liệu làm biến áp không phải là lõi sắt từ mà là lõi ferit hoặc loại khác.Thườn dùng nhất hiện nay là lõi ferit dạng xuyến,hình trụ hoặc có tiết diện kiểu chữ E

Biến áp xung có rất nhiều ưu điểm so với biến áp thường,và được dùng rất phổ biến ngày nay

+Biến áp xung có thể cộng các tín hiệu xung, biến đổi cực tính của các xung và lọc bỏ thành phần một chiều của dòng điện

+Biến áp xung làm tăng biên độ điện áp hoặc dòng mà vẫn duy trì được dạng xung ban đầu, không bị méo

+Phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại xung và cực điều

Do đặc thù của BAX là làm việc ở tần số cao (cỡ vài chục Khz trở lên) nên nếu dùng tần số cao không thể thay bằng BA thường được vì với BA sắt từ thông thường sẽ bão hòa ở tần số cao,kích thước của BAX cũng nhỏ gọn hơn hẳn biến áp thường.

Tính chọn máy biến áp như sau:

 N= 0,56 vòng/V

 Số vòng của cuộn sơ cấp :24x0.56=13,44 vòng

 Số vòng của cuộn thứ cấp :150x0.56=84 vòng+Với công suất thứ cấp là 750w-110V => I2=750/110=6,81A

+Giả sử hiệu suất biến áp sử dụng là 95%=> công suất phía sơ cấp : S1=750/0.95=790w

+Acquy sử dụng là 24V nên dòng do acsquy cung cấp phải thỏa :

I1=790/24=33A

+Tiết diện dây quấn:

6 = mm

Việc tính toán trên đây chỉ mang tính chất tương đối

Cuộn sơ cấp có dòng cao hơn nên để tản nhiệt tốt hơn ta cuốn cuộn thứ cấp trước,cuộn sơ cấp sau :

Các tham số của biến áp cũng ảnh hưởng rõ rệt đến dạng xung truyền qua BAX.Đặc biệt là điện kháng tản của BAX ảnh hưởng tới độ dốc sườn

xung :trị số của nó càng lớn càng làm giảm độ dốc.Do vậy ta cần quấn các cuộn dây đồng trục và dải đều theo chiều cao cửa sổ,cuộn thứ cấp nằm giữa

2 nửa cuộn sơ cấp để giảm được điện cảm 2 lần

Trong thực tế cần hiệu chỉnh lại số vòng dây cho phù hợp.Nếu só vòng dây

bé thì tổng trở cuộn dây nhỏ làm tăng dòng qua mosfet,gây nóng

mosfet.Ngược lại nếu số vòng dây lớn,tổng trở cuộn dây lớn làm giảm dòng qua mosfet như thế công suất ra trên thứ cấp sẽ không đạt yêu cầu

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quát

- Khâu phát xung chủ đạo:tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn hệ thống và

có tần số tỉ lệ với sóng hài cơ bản của điện áp ra

- Khâu phân phối các tín hiệu xung vào từng van lực riêng biệt theo đúng thứ tự làm việc của chúng theo nguyên lý làm việc

- Khâu xác định khoảng dẫn cho các van thực hiện theo phương pháp cụ thể

- Bộ khuếch đại xung :tăng đủ công suất để đóng mở van lực

3.2 Giới thiệu các khâu điều khiển cần thiết

-Khâu tạo xung dao động và phân phối xung ở đây em dùng IC số Tl494-Khâu khuếch đại xung:dùng transistor

3.3 Tính toán các khâu điều khiển

Chân 1 và chân 2 - Nhận điện áp hồi tiếp về để tự động điều khiển điện áp ra

Chân 3 đầu ra của mạch so sánh, có thể lấy ra tín hiệu báo sự cố P.G (power good) từ chân này

Chân 4 - Chân lệnh điều khiển cho IC hoạt động hay không, khi chân

4 bằng 0V thì IC hoạt động, khi chân 4 >0 V thì IC bị khoá

Chân 5 và 6 - là hai chân của mạch tạo dao động

Chân 7 - nối mass

Chân 8 - Chân dao động ra

Chân 9 - Nối mass

Chân 10 - Nối mass

Chân 11 - Chân dao động ra

Chân 12 - Nguồn Vcc

Chân 14 - Từ IC đi ra điện áp chuẩn

Chân 15 và 16 nhận điện áp hồi tiếp

Nguyên lý tạo dao động như sau: