TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ MỘT SỐ KHỐI KHÁC DÙNG TRONG MẠCH

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 1.1 Khái niệm chung nghịch lưu độc lập 1.1.1 Nghịch lưu độc lập gi? 1.1.2, Các dạng nghịch lưu độc lập 1.2 Một số dạng nghịch lưu 1.2.1 NLĐL nguồn dòng song song pha 1.2.2 NLĐL nguồn áp 1.2.3 Nghịch lưu cộng hưởng 15 1.2.4 Cải thiện điện áp cho nghịch lưu độc lập điện áp 18 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHỐI MẠCH LỰC 19 2.1 Khối nâng điện áp từ 24VDC ÷ 310VDC 19 2.1.1 IC điều chế độ rộng xung SG3525 19 2.1.2 MOSFET băm xung cấp cho biến áp xung 21 2.1.3 Tính chọn biến áp xung (bax) 23 2.2 Khối biến đổi điện áp DC - AC 26 2.2.1 Tính chọn IGBT 27 2.2.2 Tính chọn mạch lái IGBT 30 2.2.3 Tính chọn mạch lọc 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ MỘT SỐ KHỐI KHÁC DÙNG TRONG MẠCH 35 3.1 Khối điều khiển 35 3.1.1 Mạch tạo xung PWM 35 SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 3.1.2 Mạch đo điện áp acquy điều khiển on, off SG3525 42 3.2 Khối nguồn 43 3.2.1 Mạch nguồn ±12v 43 3.2.2 Mạch nguồn 5v 44 3.3 Lưu đồ thuật toán 45 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO, KẾT LUẬN 47 4.1 Mục tiêu thiết kế 47 4.1.1 Mục tiêu thiết kế 47 4.1.2 yêu cầu nghịch lưu 47 4.3 Chế tạo thử nghiệm 50 KẾT LUẬN 55 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, thiết bị điện dần phổ biến khắp đất nước Nhưng việc thiếu lượng điện thường xuyên sảy Nhu cầu sử dụng điện người dân ngày lớn mà lượng sản suất không đáp ứng nhu cầu Do đề tài với mục đích nghiên cứu chế tạo biến đổi điện cho phép điện lưới ta dùng acquy để thắp sáng, để sử dụng số thiết bị quạt tivi,động AC… Hiện thị trường có nhiều nghịch lưu với nhiều mức giá, chất lượng công suất khác Nhiều nghịch lưu có điện áp khơng sin có nhiều nhiễu gây ảnh hưởng đến đến số thiết bị ( VD: quạt điện hộ gia đình có âm gây ồn) Mục tiêu đề tài phân thiết kế chế tạo nghịch lưu pha sin có hiệu suất cao có ứng dụng thực tế sản xuất Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn kỹ thuật Điện-Điện Tử, đặc biệtlà thầy Nguyễn Trường Giang hướng dẫn em hoàn thành đồ án Trong trình thực đồ án khơng thể khơng mắc sai sót, em mong bảo tận tình thầy Hà Nội, Ngày 21 tháng năm 2019 Sinh viên thực Lương Đình Nguyên SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nghịch lưu pha có sóng đầu sóng sin, cơng st 500W tất cơng việc bao gồm: - Tìm hiểu lí thuyết nghịch lưu - Nghiên cứu phương pháp điều khiển - Thiết kế tính tốn PROTEUS - Thi cơng mơ hình thực tế u cầu ban đầu đưa đề tài: “Thiết kế, chế tạo nghịch lưu 24VDC/220VAC, tần số 50Hz, công suất 500W, sóng đầu sóng sin” Thơng số: U DC =12V, U AC =220V, f=50Hz, công suất P=500W Đồ án gồm chương: Chương 1:Lý thuyết nghịch lưu độc lập Chương 2: Tính tốn thiết kế mạch lực Chương Thiết kế mạch điều khiển, số mạch nguồn Chương 4: Mô phỏng, chế tạo kết luận SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 1.1 Khái niệm chung nghịch lưu độc lập 1.1.1 Nghịch lưu độc lập gi? Nghịch lưu độc lập (NLĐL) biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện chiều thành nguồn điện xoay chiều, hay gọi biến đổi DC-AC, cung cấp cho phụ tải xoay chiều, làm việc độc lập Khái niệm làm việc độc lập nghĩa Phụ tải khơng có liên hệ trực tiếp với lưới điện Như nghịch lưu có chức ngược với chỉnh lưu Khái niệm độc lập phân biệt Nghịch lưu độc lập với lớp biến đổi phụ thuộc xung áp xoay chiều, chỉnh lưu, van chuyển mạch tác dụng điện lưới xoay chiều NLĐL có hang loạt ứng dụng quan trọng Trước hết thấy lượng tích trữ chủ yếu tồn dạng điện chiều, ví dụ acquy dự trữ ngắn hạn tụ điện Năng lượng điện dự trữ dạng xoay chiều hệ thống máy phát gắn với bánh đà vĩnh cửu, nhiên chế tạo hệ thống phức tạp Các nguồn lượng điện phân tán ngày có xu hướng phát triển mạnh mẽ lí bảo mơi trường, điện sức gió, điện pin mặt trười, nguồn thủy điện nhỏ… Tính chất chung loại nguồn bị thay đổi theo thời gian, thời tiết nên cần cần tích trữ acquy Các NLĐL có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện chiều thành nguồn điện xoay chiều, phù hợp với phụ tải xoay chiều thông dụng Hơn nhiều loại phụ tải xoay chiều yêu cầu có nguồn điện cung cấp có tham số điện áp, tần số, thay đổi phạm vi rộng Các NLĐL sử dụng với chỉnh lưu, hợp thành biến tần, để biến đổi nguồn điện với thông số không đổi từ lưới thành nguồn có thơng số thay đổi được, đáp ứng nhu cầu phụ tải 1.1.2, Các dạng nghịch lưu độc lập Tùy theo chế độ làm việc nguồn chiều cung cấp mà nghịch lưu độc lập phân nghịch lưu độc lập nguồn áp, nghịch lưu độc lập nguồn dịng SV: Lương Đình Ngun Lớp: Điện – Điện Tử A K59 Phụ tải nghịch lưu độc lập tải xoay chiều Tuy nhiên có dạng phụ tải đặc biệt cấu tạo từ vịng dao động, điện áp dịng điện có dao động hình sin, yêu cầu loại nghịch lưu riêng, gọi nghịch lưu cộng hưởng Nghịch lưu cộng hưởng loại nguồn áp loại nguồn dịng 1.2 Một số dạng nghịch lưu 1.2.1 NLĐL nguồn dòng song song pha Nghịch lưu độc lập nguồn dòng, sơ đồ cho hình 1.1, cấu tạo gồm thyristo V1,V2,V3,V4 điều khiển đóng mở theo cặp V1 V2, V3 V4 Tụ C đóng vai trò tụ chuyển mạch, mắc song song với tải Đầuy vào chiều có cuộn cảm L trị số đủ lớn để tạo nên nguồn dòng L V1 C V3 Zt V4 V2 Hình 1.1: Nghịch lưu độc lập nguồn dòng song song Khi cặp thyristo điều khiển theo cặp, dịng đầu nghịch lưu in có dạng vng cới biên độ dịng đầu vào i d Điện áp tải điện áp tụ C Giả sử V1, V2 dẫn tụ C nạp điện.với cực tính hình 1.1 Tới nửa chu kỳ sau V3, V4 điều khiển mở điện áp tụ đặt ngược lên V1, V2 để khóa V1, V2 lại Dạng dịng điện, điện áp phần tử sơ đồ hình 1.2 Đồ thị cho thấy điện áp tụ chậm pha so với dịng điện góc , góc khóa van SV: Lương Đình Ngun Lớp: Điện – Điện Tử A K59 Giá trị tức thời điện áp cuộn cảm u L  E  uab Nếu bỏ qua tổn thất sơ đồ giá trị trung bình điện áp cuộn cảm không, nghĩa ak: UL  T T /2  u dt  L (1.1) Trên đồ thị hình 1.2 điều thể diện tích hai phần gạch chéo khác phải Việc phân tích theo giá trị tức thời đưa đến biểu thức tốn học phức tạp, khó ứng dụng Vì để nghiên cứu sơ đồ chế độ xác lập, người ta sử dụng phương pháp gần sóng hài bậc Theo phương pháp sóng hài Hình 1.2: đồ thị dạng dịng điện, điện áp phần tử sơ đồ nghịch lưu dòng bậc ta xét đến thành phần sóng hài bậc dòng nghịch lưu in điện áp tải uC Khi dùng biểu đồ vecto hình 1.3 để phân tích tham số sơ đồ Sai số tính tốn thu so với phương pháp giá trị tức thời khoảng 15 – 20% Đây điều chấp nhận so với tính đơn giản phương pháp Giả thiết tải trở cảm Để thyristo chuyển mạch vấn đề điện áp tụ C Phải chận pha so với dòng điện lưu góc β, cho      tr , tr thời gian phục hồi tính chất khóa van Gọi Q C , QL tương ứng cơng Hình 1.3 Biểu đồ vecto suất phản kháng tụ tải, Pt cơng suất tác dụng tải SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 Theo biểu đồ vecto: tg   I C  I L ( I C  I L )U C QC  QL   IR I RU C Pt Từ ta thấy rằng, muốn tạo góc vượt trước dòng điện điện áp đầu nghịch lưu, tồn mạch tải phải có tính dung kháng Muốn công suất tụ chuyển mạch QC phải đủ đề bù hồn tồn cơng suất phản kháng tải QL dơi phần để tạo góc vượt trước β Nghĩa là: QC  QL  Pt tg  Nếu biểu diễn QC  U C I C  CC2 , (1.2) L thấy tần số thấp QC khơng đủ lớn để trì góc β Về ý nghĩa V3 V1 vật lý điều giải thích tần số thấp, nghĩa thời gian T/2 lớn, tụ phóng điện phần qua tải, điện áp tụ cuối chu kỳ thấp, không đủ để Zt trì góc khóa cho van Có thể đảm bảo khả làm việc sơ đồ tần số thấp cách dùng sơ V4 V2 đồ có diode cách ly Trong sơ đồ tụ C phân làm hai nhóm E1, C2, cách ly với mạch tải diode D1, D2, D3, Hình 1.4 Nghịch lưu nguồn dịng song song có diode cách ly D4 Mỗi tụ làm nhiệm vụ chuyển mạch cho nhóm van rieeng rẽ thể sơ đồ hình 1.4 Với NLĐL nguồn dịng song song, tải nhỏ dòng in chủ yếu nạp cho tụ C làm cho điện áp tụ tang lên lớn, đánh thủng van.khi tải lớn dịng qua tụ nhỏ, điện áp tụ nhỏ, khơng đủ để trì góc β Như SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 NLĐL nguồn dòng song song làm việc với tải thay đổi phạm vi định 1.2.2 NLĐL nguồn áp Nếu NLĐL nguồn dịng dùng thyristo NLĐL nguồn áp lại phải sử dụng đến van bán dẫn điều khiển hoàn toàn IGBT, GTO, MOSFET BJT Trước người ta dùng thyristo nghịch lưu nguồn áp, phải có hệ thống chuyển mạch cưỡng phức tạp Ngày công nghệ chế tạo phần tử hoàn chỉnh nhiều nên van bán dẫn điều khiển hoàn toàn sử dụng mạch nghịch lưu nguồn áp Trong sơ đồ xem xét ta giả thiết van đóng cắt dạng van điều khiển hồn tồn 1.2.2.1, Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp pha biểu diễn hình 1.5 Sơ đồ gồm van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4 diode ngược D1, D2, D3, D4 Các diode ngược phần tử bắt buộc sơ đồ nghịch lưu áp, giúp cho trình trao đổi cơng suất phản kháng tải với nguồn Đầu vào chiều nguồn áp với đặc trưng có tụ C với giá trị đủ lớn Tụ C vừa có vai trị tụ lọc san điện áp trường hợp nguồn E chỉnh lưu, vừa có vai trị kho chưa cơng suất phản kháng trao đổi với tải qua diode ngược Nếu khơng có tụ C tụ C q nhỏ dịng phản kháng khơng có đường chạy gây nên điện asptreen phần tử sơ đồ Các van sơ đồ điều khiển mở nửa chu kỳ theo cặp, V1 với V2, V3 với V4 Kết điện áp có dạng xoay chiều xung chữ nhật với biên độ điện áp nguồn đầu SV: Lương Đình Nguyên Hình 1.5 NLĐL nguồn áp pha Lớp: Điện – Điện Tử A K59 10 vào, không phụ thuộc vào tải Hình dạng dịng điện phụ thuộc tải tính chất tải biểu diễn đồ thị hình 1.6 Khi tải có tính trở cảm, cuối nửa chu kỳ cặp van khóa lại, dịng dẫn trì theo chiều cũ Trên sơ đồ, van V1,V2 khóa lại dịng phải trì theo chiều cũ qua diode D3, D4 Nói chung dịng qua diode móc vịng qua tụ C đầu vào biểu diễn hình 1.5 Dịng chiều đầu vào có phần dương thể lượng cấp tải lấy vào từ nguồn E, phần âm lượng phản kháng tải trao đổi với tụ đầu vào C điều thể qua đồ thị dòng id đồ thị hignh 1.6 Công suất phát huy tải, bỏ qua tổn thất sơ đồ bang tích Hình 1.6 Dạng điện áp, dịng điện phần tử nguồn áp pha, tải trở cảm E với giá trị trung bình I d Điện áp ra, dạng xung vuông phân tích thành phần chuỗi fourier gồm thành phần sóng hài với biên độ bằng: U (n)  2 E[1 cos( n)] n (1.3) Như điện áp tồn thành phần sóng hài bậc lẻ 1, 3, 5, 7… với biên độ 4E  , 4E E , ,… Với số phụ tải yêu cầu điện áp phải có 3 5 dạng sin dùng lọc để loại bỏ thành phần sóng hài bậc cao Một số phương pháp điều chế độ rộng xung khác sử dụng để giảm thành phần sóng hài bậc cao SV: Lương Đình Ngun Lớp: Điện – Điện Tử A K59 64 delay_us(22); c= 1; delay_us(76); c=0; delay_us(22); c= 1; delay_us(72); c=0; delay_us(26); c= 1; delay_us(72); c=0; delay_us(26); c= 1; delay_us(68); c=0; delay_us(30); c= 1; delay_us(68); c=0; delay_us(30); c= 1; delay_us(63); c=0; delay_us(35); c= 1; delay_us(63); c=0; delay_us(35); c= 1; delay_us(58); c=0; delay_us(40); c= 1; delay_us(58); c=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 65 delay_us(40); c= 1; delay_us(53); c=0; delay_us(45); c= 1; delay_us(53); c=0; delay_us(45); c= 1; delay_us(47); c=0; delay_us(51); c= 1; delay_us(47); c=0; delay_us(51); c= 1; delay_us(42); c=0; delay_us(56); c= 1; delay_us(42); c=0; delay_us(56); c= 1; delay_us(36); c=0; delay_us(62); c= 1; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 66 delay_us(36); c=0; delay_us(62); c= 1; delay_us(30); c=0; delay_us(68); c= 1; delay_us(30); c=0; delay_us(68); c= 1; delay_us(24); c=0; delay_us(74); c= 1; delay_us(24); c=0; delay_us(74); c= 1; delay_us(18); c=0; delay_us(80); c= 1; delay_us(18); c=0; delay_us(80); c= 1; delay_us(12); c=0; a=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 67 delay_us(86); delay_us(199); } // -void xung2() { delay_us(499); b= 1; d= 1; delay_us(12); d=0; delay_us(86); d= 1; delay_us(12); d=0; delay_us(86); d= 1; delay_us(18); d=0; delay_us(80); d= 1; delay_us(18); d=0; delay_us(80); d= 1; delay_us(24); d=0; delay_us(74); d= 1; delay_us(24); d=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 68 delay_us(74); d= 1; delay_us(30); d=0; delay_us(68); d= 1; delay_us(30); d=0; delay_us(68); d= 1; delay_us(36); d=0; delay_us(62); d= 1; delay_us(30); d=0; delay_us(68); d= 1; delay_us(42); d=0; delay_us(56); d= 1; delay_us(42); d=0; delay_us(56); d= 1; delay_us(47); d=0; delay_us(51); d= 1; delay_us(47); d=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 69 delay_us(51); d= 1; delay_us(53); d=0; delay_us(45); d= 1; delay_us(53); d=0; delay_us(45); d= 1; delay_us(58); d=0; delay_us(40); d= 1; delay_us(58); d=0; delay_us(40); d= 1; delay_us(63); d=0; delay_us(35); d= 1; delay_us(63); d=0; delay_us(35); d= 1; delay_us(67); d=0; delay_us(31); d= 1; delay_us(67); d=0; delay_us(31); SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 70 d= 1; delay_us(72); d=0; delay_us(26); d= 1; delay_us(72); d=0; delay_us(26); d= 1; delay_us(76); d=0; delay_us(22); d= 1; delay_us(76); d=0; delay_us(22); d= 1; delay_us(80); d=0; delay_us(18); d= 1; delay_us(80); d=0; delay_us(18); d= 1; delay_us(83); d=0; delay_us(15); d= 1; delay_us(83); d=0; delay_us(15); d= 1; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 71 delay_us(87); d=0; delay_us(11); d= 1; delay_us(87); d=0; delay_us(11); d= 1; delay_us(89); d=0; delay_us(9); d= 1; delay_us(89); d=0; delay_us(9); d= 1; delay_us(92); d=0; delay_us(6); d= 1; delay_us(92); d=0; delay_us(6); d= 1; delay_us(94); d=0; delay_us(4); d= 1; delay_us(94); d=0; delay_us(4); d= 1; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 72 delay_us(96); d=0; delay_us(2); d= 1; delay_us(96); d=0; delay_us(2); d= 1; delay_us(97); d=0; delay_us(1); d= 1; delay_us(97); d=0; delay_us(1); d= 1; delay_us(99); delay_us(400); d= 1; delay_us(97); d=0; delay_us(1); d= 1; delay_us(97); d=0; delay_us(1); d= 1; delay_us(96); d=0; delay_us(2); d= 1; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 73 delay_us(96); d=0; delay_us(2); d= 1; delay_us(94); d=0; delay_us(4); d= 1; delay_us(94); d=0; delay_us(4); d= 1; delay_us(92); d=0; delay_us(6); d= 1; delay_us(92); d=0; delay_us(6); d= 1; delay_us(90); d=0; delay_us(8); d= 1; delay_us(90); d=0; delay_us(8); d= 1; delay_us(87); d=0; delay_us(11); d= 1; delay_us(87); d=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 74 delay_us(11); d= 1; delay_us(83); d=0; delay_us(15); d= 1; delay_us(83); d=0; delay_us(15); d= 1; delay_us(80); d=0; delay_us(18); d= 1; delay_us(80); d=0; delay_us(18); d= 1; delay_us(76); d=0; delay_us(22); d= 1; delay_us(76); d=0; delay_us(22); d= 1; delay_us(72); d=0; delay_us(26); d= 1; delay_us(72); d=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 75 delay_us(26); d= 1; delay_us(68); d=0; delay_us(30); d= 1; delay_us(68); d=0; delay_us(30); d= 1; delay_us(63); d=0; delay_us(35); d= 1; delay_us(63); d=0; delay_us(35); d= 1; delay_us(58); d=0; delay_us(40); d= 1; delay_us(58); d=0; delay_us(40); d= 1; delay_us(53); d=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 76 delay_us(45); d= 1; delay_us(53); d=0; delay_us(45); d= 1; delay_us(47); d=0; delay_us(51); d= 1; delay_us(47); d=0; delay_us(51); d= 1; delay_us(42); d=0; delay_us(56); d= 1; delay_us(42); d=0; delay_us(56); d= 1; delay_us(36); d=0; delay_us(62); d= 1; delay_us(36); d=0; delay_us(62); d= 1; delay_us(30); d=0; delay_us(68); d= 1; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 77 delay_us(30); d=0; delay_us(68); d= 1; delay_us(24); d=0; delay_us(74); d= 1; delay_us(24); d=0; delay_us(74); d= 1; delay_us(18); d=0; delay_us(80); d= 1; delay_us(18); d=0; delay_us(80); d= 1; delay_us(12); d=0; b=0; delay_us(86); delay_us(199); } void main() { set_tris_c(0b00000000); a=0; SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 78 b=0; c=0; d=0; // -while (1) { xung1(); xung2(); } } SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện Tử A K59 ... trình trước cho phép ng? ?t tiếp t? ??c ho? ?t động trở lại để ta ph? ?t thời điểm mà ng? ?t xảy Đối với ng? ?t ngoại vi ng? ?t từ chân INT hay ng? ?t từ thay đổi trạng thái pin PORTA (PORTA Interrupt on change),... Power crystal XT: Thạch anh thường HS: (high-speed crystal) RC: (resistor/capacito) SV: Lương Đình Nguyên Lớp: Điện – Điện T? ?? A K59 41 Dao động mạch RC t? ??o loại oscillator lp, hs, xt, Oscillator gắn... chạy qua cuộn cảm khơng thể thay đổi giá trị đ? ?t ng? ?t - Dòng điện thay đổi nhanh điện áp sinh hai đầu cuộn cảm lớn Tham số quan trọng : di/dt thể mức độ thay đổi dịng điện theo thời gian SV: Lương