MỤC LỤCContents LỜI MỞ ĐẦU2LỜI CẢM ƠN2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN3CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 41.1Khái niệm về điện tử công suất41.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản51.2.1.Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất51.2.3.Thyristor (SCR)91.2.4.GTO ( Gate Turnoff Thysistor)131.2.5.Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor)151.2.6.Transistor trường, MOSFET201.2.7 Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT27CHƯƠNG 236GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP362.1Các khái niệm cơ bản362.1.1.Khái niệm362.1.2.Sự khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc.362.2Nghịch lưu độc lập điện áp372.2.1Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha372.2.2Phương pháp sóng điều hòa cơ bản392.2.3Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha402.3Nghịch lưu dòng432.3.1Nghịch lưu dòng một pha432.3.2Nghich lưu dòng ba pha45CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ BOARD MẠCH473.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực473.1.1Tính toán máy biến áp47Yêu cầu biến áp473.1.2Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch483.1.3. Lọc LC513.2.Thiết kế mạch điều khiển533.2.2.Thiết kế mạch điều khiển553.3.3Sơ đồ nguyên lý613.3.4Nguyên lý hoạt động633.3.6Sơ đồ mạch in 3D643.3.7Sản phẩm đã hoàn thiện65TÀI LIỆU THAM KHẢO68MỤC LỤC69
LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng đời sống.Việc biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác nhờ mạch công suất ứng dụng rộng rãi.Đặc biệt nhờ có phát triển van bán dẫn công suất mà lĩnh vực ngày phát triển mạnh mẽ.Ta phân loại thành số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) ; AC→AC(Điều chỉnh điện áp xoay chiều);DC→DC(Điều chỉnh điện áp chiều).Mỗi nhóm có ứng dụng riêng lĩnh vực cụ thể Với yêu cầu đồ án “ Tìm hiểu thực mạch nghịch lưu độc lập điện áp pha từ nguồn chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz”.Mạch ứng dụng nhiều đời sống sinh hoạt Mạch có nhiêm vụ cung cấp nguồn lượng cho tải xảy cố điện Phần báo cáo em gồm phần sau: Phần : Giới thiệu điện tử công suất van bán dẫnPhần : Giới thiệu chung nghịch lưu độc lập Phần : Tính tốn thiết kế mạch thực tế Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình của.Thầy giúp em có thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm quí báu để phục vụ cho việc học tập cũngnhư cho công việc tương lai Song thời gian có hạn vốn kiến thức chưa rộng nên q trình thiết kế khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận bảo quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến giảng viên Đỗ Quang Huy người trực tiếp hướng dẫn em trình em thực đồ án môn học nghiên cứu, thiết kế khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp 1pha Chúng em xin bày tỏ long biết ơn đến thầy, cô khoa Điện - Điện Tử giúp đỡ chúng em vơ tận tâm để chúng em phát hết khả trình em thực đồ án môn học Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên tạo điều kiện trang bị kiến thức cho em trình em thực đồ án em biết ơn thầy tậntình bảo rèn nắn em trình em thực đồ án Cuối em xin kính chúc q thầy gia đình dồi sức khỏe Gặt hái nhiều thành cơng nghiệp trồng người cao quý Sinh viên thực hiện: Cao Văn Nhật Nguyễn Hồng Phi 2021-2022 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Hưng Yên, Ngày… Tháng… Năm 2022 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 1.1 Khái niệm điện tử công suất 1.1.1 Định nghĩa Điện tử công suất chuyên ngành nghiên cứu phương pháp thiết bị điện tử có cơng suất lớn với thuật tốn điều khiển nhằm biến đổi điều khiển lượng điện Hình 1.1 Sơ đồ chung biến đổi công suất Hình 1.2 Đối tượng nghiên cứu điện tử cơng suất 1.1.2 Phân loại ứng dụng: Điện xoay chiều thành điện chiều: Các Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị dịng điện chiều đầu hay khơng Điện chiều thành điện xoay chiều: Các Nghịch lưu (Inverter) Các nghịch lưu có khả biến dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp tần số thay đổi tuỳ vào luật đóng mở van bán dẫn Điện chiều thành điện chiều: Các Băm xung chiều (cịn có tên Điều áp chiều, biến đổi điện áp chiều ( DC to DC converter, DC chopper) Các biến đổi biến dịng điện chiều có giá trị cố định thành dịng điện chiều có giá trị điện áp, dịng điện điều khiển Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các Biến tần (Frequency Drive) trực tiếp (Cycloconverter) gián tiếp (Inverter) Các biến tần có khả biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dịng điện, điện áp tần số cố định lưới điện thành dịng điện xoay chiều có giá trị dịng, áp tần số điều khiển theo ý muốn 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Đặc tính phần tử bán dẫn công suất Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng sơ đồ biến đổi khóa điện tử, gọi van bán dẫn Khi mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa ngắt tải khỏi nguồn, khơng cho dịng điện chạy qua Để đóng cắt dịng điện lớn van bán dẫn lại điều khiển tín hiệu cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử cơng suất nhỏ Đặc tính phần tử bán dẫn công suất : Các van bán dẫn làm việc chế độ khóa, mở cho dịng chạy qua có điện trở tương đương nhỏ, khóa khơng cho dịng chạy qua có điện trở tương đương lớn Nhờ tổn hao cơng suất q trình làm việc điện tích dịng điện chạy qua với điện áp rơi phần tử có giátrị nhỏ Các van bán dẫn dẫn dòng theo chiều phần tử đặt điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dịng qua phần tử có giá trị nhỏ, cỡ mA, gọi dòng rò Về khả điều khiển, van bán dẫn phân loại thành: Van khơng điều khiển Diode Van có điều khiển : Điều khiển khơng hồn tồn, Thysitor, Triac Điều khiển hồn tồn, MOSFET, IGBT,GTO 1.2.2 Diode cơng suất Diode phần tử cấu tạo lớp tiếp giáp bán dẫn P-N Diode có cực, anot A cực nối với lớp bán dẫn kiểu P, catot K cực nối với lớp bán dẫn kiểu N Dòng điện chạy qua Diode theo chiều từ A đến K điện áp UAK dương Khi UAK âm, dịng qua Điode gần khơng a) Cấu tạo kí hiệu Hình 1.3a Cấu tạo kí hiệu Diode Tiếp giáp bán dẫn P-N phận cấu tạo Diode Khi ghép lớp bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống, tạo thành lớp Ion trung hoà điện, lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Tuy nhiên vùng nghèo điện tích mở rộng đến độ dày định bên vùng N điện tử di chuyển để lại Ion dương, bên vùng P điện tử di chuyển đến nhập vào lớp cách điện tử hóa trị ngồi cùng, tạo nên Ion âm Các Ion nằm cấu trúc tinh thể mạng tinh thể Silic nên di chuyển Kết tạo thành tụ điện với điện tích âm lớp phía lớp P điện tích dương phía dướilớp n Các điện tích tụ điện tạo nên điện trường E có hướng từ vùngN sang vùng P ngăn cản khuếch tán tiếp tục cac điện tử từ vùng N sang vùng P b) Đặc tính Vơn - Ampe Hình Đặc tính Vol – Ampe đặc tính lý tưởng Đặc tính gồm phần, đặc tính thuận nằm góc phần tư thứ I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm góc phần tư thứ III tương ứng với UAK < Trên đường đặc tính thuật, điện áp A-K tăng dần từ đến vượt qua ngưỡng điện áp VF, dịng chảy quan Diode Dịng điện áp iD thay đổi lớn điện áp rơi Diode UAK thay đổi Như đặc tính thuận Diode đặc trưng tính chất có điện trở tương đương nhỏ Trên đường đặc tính ngược, điện áp UAK tăng dần từ đến giá trị Ung.max gọi điện áp ngược lớp nhất, dịng qua Diode có giá trị nhỏ gọi dòng rò Nghĩa Diode cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược Cho đếnkhi UAK đạt đến giá trị Ung.max xảy tượng dịng qua Diode tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược Diode bị phá vỡ Quá khơng có đảo ngược nghĩa ta lại giảm điện áp A-K dịng điện khơng giảm Ta nói Diode bị đánh thủng Đặc tính Vơn-Ampe Diode khác nhau, nhiên để phân tích sơ đồ biến đổi đặc tính lý tưởng hình sử dụng nhiều Cấu trúc IC Hình 3.2 Sơ đồ chân, cấu trúc logic vi mạch Sơ đồ chân Chân : C-Timing nối với đầu dương tụChân : R-Timing nối với đầu trở 1k Chân : Đầu chung RC Chân : Trạng thái bền Chân : Trạng thái khơng bềnChân : Chân kích khởi âm Chân : GND Chân : Chân kích khởi dương Chân : Thiết lập lại trạng thái ban đầuChân 10 : Đầu Q không đảo Chân 11 : Đầu 59 Q đảoChân 12 : Kích khởi lại Chân 13 : Đầu OSC Chân 14 : VCC(từ 3V đến 15V Hoạt động IC sau: Hoạt động chân astable phép đạt đầu vào chân mức cao mức thấp chân chân Độ rộng xung vuông Q Q- hàm đầu vào phụ thuộc RC Chân astable cho phép mạch làm tạo dao động đa hài qua cổng Độ rộng xung chân 13 ½ đầu Q chế độ astable Tuy nhiên điều 50% Trong chế độ ổn định đơn có sườn dương đầu vào + tringger (8) trugger (6) mức thấp xung đầu vào thuộc thời điểm nàotương ứng với xung đầu Chân 12 cho phép kích mở trở lại xung dương Đặc điểm vi mạch sau :Công suất tiêu thụ thấp Hoạt động trạng thái đơn chế độ không ổn định Các đầu ổn định mức thể bù xung yêu cầu tín hiệu duynhất ngồi R C đầu vào có đệm kiểm tra tĩnh điện áp 20V chuẩn hóa đặc tính, đặc tính đầu chuẩn đối xứng Ta tính tốn để có xung 50Hz sau: Thay số VDD = 12 V VTR = 50 % VDD Với f = 50 Hz T= 0,02 (s) 4.4RC = 0,02 RC = 4,55.10-3 Chọn tụ có C = 0,1R = 45 K Chọn biến trở có Rmax = 50KΩ để điều chỉnhĐiện áp Umin Q Q- = 0,05 V Umax Q Q= 11VDạng sóng đầu ra: Hình 3.3 Dạng sóng đầu biến áp c) IC LM358 Là Ic khuyếch đại thuật tốn thơng dụng gồm hai khuyếch đạithuật tốn riêng biệt Hình 3.4 Hình dạng cấu trúc LM358 Là IC chân đóng gói dạng DIP 100Tđiện áp hoạt động :+1,5Và+-16V Chân đầu khuyếch đại thuật toán AChân đầu vào đảo khuyếch đại A Chân đầu vào không đảo khuyếch đại AChân cấp nguồn âm Chân đầu vào không đảo khuyếch đại BChân đầu vào đảo khuyếch đại B Chân đầu khuyếch đại thuật toán BChân cấp nguồn dương 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý 3.3.4 Nguyên lý hoạt động IC 4047 đóng vai trị mạch này.IC nuôi nguồn12V cung cấp vào chân 14.Qua IC tạo xung dương có giá trị ngược chân đầu Q Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo dao động, để tần số hoạt động 50Hz ta chọn thong số R,C sau: R=47K,C=0,1uF Sau xung đưa qua khuếch đại thuật toán LM324.Để tránh dòng vào lớn từ xung đầu IC 4047 gây hỏng LM324 ta cho dịng qua điện trở 4.7k ôm cổng Q Q đảo.Sau xung vào LM 324 khuếch đại lên để mở MOSFET mạch lực.Xung đầu 4047 cấp vào chân khơng đảo của khuếch đại thuậttốn chân đảo lấy điện áp phản hồi đầu khuếch đại thuật tốn.Điệnáp bão hịa lấy 12V.Xung đầu LM 324 có nhiệm vụ đóng mở MOSFET mạch lực với tần số 50Hz 3.3.5 Sơ đồ mạch in 3.3.6 Sơ đồ mạch in 3D 3.3.7 Sản phẩm hoàn thiện Điện áp đầu vào input 12VDC Điện áp đầu output sấp sỉ 220VAC- 50HZ TÀI LIỆU THAM KHẢO Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Phạm Quốc Hải – NXB Khọc – Kĩ thuật Điện tử công suất Võ Minh Chính (chủ biên) – NXB Khoa học-Kĩ Thuật Giáo trình thiết kế điện tử cơng suất Trần Văn Thịnh – Đại học bách khoa Hà Nội Linh kiện bán dẫn vi mạch – T.s Hồ Văn SungNXB Giáo dục Giáo trình máy điện – Đặng Văn Đào – Trần Thanh Hà – Nguyễn Hồng Thanh -NXB Giáo dục MỤC LỤC Contents LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 1.1 Khái niệm điện tử công suất 1.2 Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Đặc tính phần tử bán dẫn công suất 1.2.3 Thyristor (SCR) 1.2.4 GTO ( Gate Turn-off Thysistor) .13 1.2.5 Transistor công suất, BJT ( Bipolar Junction Transistor) .15 1.2.6 Transistor trường, MOSFET 20 1.2.7 Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT .27 CHƯƠNG 36 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 36 2.1 Các khái niệm 36 2.1.1 Khái niệm 36 2.1.2 Sự khác nghịch lưu độc lập nghịch lưu phụ thuộc 36 2.2 Nghịch lưu độc lập điện áp 37 2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp pha 37 2.2.2 Phương pháp sóng điều hịa 39 2.2.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 40 2.3 Nghịch lưu dòng 43 2.3.1 Nghịch lưu dòng pha 43 2.3.2 Nghich lưu dòng ba pha 45 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THẾT KẾ BOARD MẠCH .47 3.1 Tính tốn thiết kế mạch động lực 47 3.1.1 Tính toán máy biến áp 47 Yêu cầu biến áp 47 3.1.2 Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch 48 3.1.3 Lọc LC 51 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 53 3.2.2.Thiết kế mạch điều khiển 55 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý 61 3.3.4 Nguyên lý hoạt động 63 3.3.6 Sơ đồ mạch in 3D 64 3.3.7 Sản phẩm hoàn thiện .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 MỤC LỤC 69 ... án “ Tìm hiểu thực mạch nghịch lưu độc lập điện áp pha từ nguồn chiều 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz” .Mạch ứng dụng nhiều đời sống sinh hoạt Mạch có nhiêm vụ cung cấp nguồn lượng cho tải xảy cố điện. .. cho phép biến đổi nguồn dòng chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều : - Nghịch lưu dòng pha - Nghịch lưu áp pha 2.2 Nghịch lưu độc lập điện áp 2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp pha a) Cấu tạo nguyên... Nghịch lưu điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thànhnguồn điện áp xoay chiều có tính chất điện áp lưới: Nghịch lưu điện áp pha Nghịch lưu điện áp pha b.1.2) Nghịch lưu dòng điện, cho phép