Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử MỤC LỤC trang CHƯƠNG I Giới thiệu một số van bán dẫn công suất… ………… 5 1.1. Diode công suất ………………… …………………………………… 5 1.2. Transistor công suất ……………………………………………………… 7 1.3 . Mosfet công suất …………………………………………………… 8 1.4 . Thyristor …………………………………………………… 12. CHƯƠNG II Tổng quan về mạch nghịch lưu một pha 14 2.1. Tổng quan về nghịch lưu 14 2.2.Nghịch lưu độc lập 14 2.2.2 .Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa 15 2.2.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha 18 2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha 21 CHƯƠNG III Tính toán và thiết kế mạch 25 3.1.Tính toán máy biến áp 25 3.2.Mosfet công suất IRF3205 26 3.3.Thiết kế mạch điều khiển 28 3.4. Mạch lực 33 3.5. Mạch cách ly 34 3.6. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống 36 Hướng phát triển của đề tài 38 Kết luận 39 Tài liệu tham khảo. SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 1 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Hưng Yên, tháng 11 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn NGUYỄN TRUNG THÀNH SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 2 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, 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 trong các 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, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Nghiên cứu 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 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 ĐÌNH HÙNG cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng 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 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. Chúng em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 3 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên thực hiện : 1. Nguyễn Danh Sách 2. Trần Văn Thắng 3. Trương Đức Thịnh Lớp : 602101 Khoá học : 2010 - 2013 Ngành đào tạo : Kỹ Thuật Điện Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha Số liệu cho trước: - Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm ĐTCS. - Các tài liệu, giáo trình chuyên môn. Nội dung cần hoàn thành: 1. Lập kế hoạch thực hiện 2. Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng và nguồn áp. 3. Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu: - S = 300VA; 4. Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn. 5. Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải 2.5cm; lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 13. Cấu trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn. Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành Ngày giao đề tài: 21-9-2012 Ngày hoàn thành: SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 4 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MỘT SỐ VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,đó làcác van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. 1.1 Diode công suất a)cấu tạo Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp được chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm 2 . Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm. 2 Do vậy dòng điện định mức của một số loại diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2- 1250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 5 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử b)Đặc tính vôn – ampe: U m A U D 0 U m A A U m A U n g , m a x U D 0 A A 0 0 0 § Æc t Ýn h t h ù c t Õ c ñ a d i o d e § Æc t Ýn h t u y Õ n t Ýn h h ã a c ñ a d i o d e § Æc t Ýn h l ý t ë n g c ñ a d i o d e Hình 1.2 Đặc tính vôn-ampe của diode Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ nhất ứng với U AK > 0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với U AK < 0 hình1.2.2-4. -Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp U AK được tăng dần từ 0 đến vượt quá giá trị U D0 ≈ 0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi. -Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp U AK được tăng dần từ 0 đến giá trị U ngmax thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò. Cho đến khi U AK đạt đến giá trị lớn hơn U ngmax thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng. -Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là: u = U D0 + i D R D Trong đó: U D0 (V); I D (A); R D (Ω). SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 6 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử -Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng ∞ theo chiều ngược. 1.2 Tranzisto công suất ( Transistor lưỡng cực BJT ). Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn.Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu là β = 10 → 100. Điện áp V be ≈ 1V; V cc = ( 1 → 1,5 ) a)Cấu tạo transistor ngược NPN Hình 1.3 Cấu tạo transistor ngược SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 7 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử b) Cấu tạo transistor thuận PNP Hình 1.4 Cấu tạo transistor thuận Công suất tổn thất trong Tranzistor khi làm việc với tải xác định nhỏ hơn nhiều lần so với công suất tổn thất khi transistor chuyển trạng thái. Tích công suất chuyển trạng thái p c với thời gian chuyển trạng thái t c là năng lượng tổn thất trong quá trình chuyển trạng thái. Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của transistor, khi đó nhiệt độ bên trong Tranzistor không được vượt quá 200 o C.Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do Tranzistor chuyển trạng thái gây nên người ta dùng các mạch trợ giúp. Việc sử dụng các mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tranzistor làm việc ở các điều kiện sau : f > 5 kHz hoặc V C ∞ ≥ 60V, I C > 5A 1.3 MOSFET công suất SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 8 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số và các mạch tương tự. Với những Mosfet công suất thường được sử dụng như những chuyễn mạch điện tử công suất lớn +)Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim lạo và bán dẫn ( ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic).Lớp bán dẫn có 2 loại nên có 2 loại MOSFET : NMOSFET hay PMOSFET. Thông thường chất bán dẫn được chọn là silíc nhưng có một số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), ví dụ như hãng IBM. Ngoài silíc và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali asenua có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể dùng để chế tạo các transistor MOSFET. +) MOSFET được chia làm hai loại: -MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn. -Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N hay P. Ta xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P. 1.3.1 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục a)Cấu tạo và kí hiệu Hình 1.5 Cấu tạo MOSFET kênh liên tục SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 9 Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học Khoa Điện – Điện tử b)Đặc tính Hình 1.6 Đặc tính ra MOSFET kênh liên tục 1.3.2 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn a)Cấu tạo và kí hiệu SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành Trần Văn Thắng Trương Đức Thịnh 10 [...]... liu k thut thit b ny c gi l nghch lu ụtonụm hay onduleur Nh ó núi nghch lu c lp c phõn lm ba loi l nghch lu c lp dũng, nghch lu c lp ỏp v nghch lu c lp cng hng Ngi ta cng cú th phõn loi theo s pha mt pha, ba pha, cu nghch lu c lp dũng u vo phi cú in cm Ld ln v t o mch c np theo lut khụng chu k Dũng u vo I d l liờn tc, phng khụng nhp nhụ ngha l ngun cung cp thit b ny l ngun dũng.Trong nghch lu c... in c) Nguyờn lý hot ng Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (dòng tải đi từ B A) Khi t = 0 cho xung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khoá lại, dòng tải i = -Im không thể đảo chiều một cách đột ngột Nó tiếp chảy theo chiều cũ nhng theo mạch D1 E D3tải D1 và suy giảm dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khoá lại Khi t = t1, i = 0, D1 và D3 bị khoá lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều... Khoa in in t ỏn mụn hc 2.2.4.Nghch lu c lp ngun dũng cu 1 pha : Nghch lu dũng l thit b bin i ngun dũng mt chiu thnh dũng xoay chiu cú tn s tựy ý c im c bn ca nghch lu dũng l ngun mt chiu cp ngun cho b bin i phi l ngun dũng, do ú in cm u vo (L d) thng cú giỏ tr ln vụ cựng m bo dũng in l liờn tc a) Nguyờn lý lm vic: S d nghch lu dũng mt pha c trỡnh by nh trờn hỡnh (s cu) v hỡnh (s cú im trung tớnh)... b khúa li bi in ỏp ngc ca t C t lờn SVTH: Nguyn Danh Sỏch Trn Vn Thng Trng c Thnh GVHD: Nguyn Trung Thnh 21 Trng i hc s phm k thut Hng yờn Khoa in in t ỏn mụn hc Hỡnh 1.1 S mt pha cú im trung tớnh v biu xung ca s cu mt pha Khong thi gian duy trỡ in ỏp ngc t1 ữ t1 = tk toff; toff l thi gian khúa ca tiristor hay chớnh l thi gian phc hi tớnh cht iu khin .tk = l gúc khúa ca nghch lu b) nh hng ca... chuyn mch tha món iu kin lm vic ca nghch lu thỡ min > .toff CHNG III TNH TON V THIT K SN PHM S dung s ụ nguyờn ly mach nghich lu ục lõp nguụn ap mụt pha s dung may biờn ap iờm gia vi s ụ n gian,dờ thiờt kờ lp giap va chi phi thõp 3.1 Tớnh chn mỏy bin ỏp mụt pha tn s 50Hz Mỏy bin th cú th thay i hiu in th xoay chiu, tng th hoc h th, u ra cho 1 hiu in th tng ng vi nhu cu s dng Mỏy bin ỏp c s dng quan trng... phỏt in mt chiu tr v li xoay Tn s v in ỏp nghch lu ny ph thuc vo tn s in ỏp li xoay chiu Nghch lu c lp lm nhim v bin i in ỏp mt chiu t cỏc ngun c lp (khụng ph thuc vo li xoay chiu) thnh xoay chiu vi tn s pha tu ý Tn s v in ỏp nghch lu Núi chung cú th iu chnh tu ý Cú hai dng s nghch lu c lp l mch cu v mch dựng bin ỏp cú trung tớnh S nghch lu lp c chia l ba loi c bn: - Nghch lu c lp in ỏp - Nghch lu c... xm hn Nu dũng iu khin cng ln thỡ quỏ trỡnh chuyn im lm vic lờn ng c tớnh thun x cng xm hn vi UAK nh hn *Khi UAK < 0 thỡ quỏ trỡnh sy ra cng tng t trng hp IG = 0 CHNG II TễNG QUAN Vấ MACH NGHICH LU MễT PHA 2.1 Tng quan v nghch lu Trong cụng ngh, ta thng gp vn bin i in ỏp mt chiu thnh in xoay chiu v ngc li bng cỏc thit b nn in Cỏc thit b ú c gi l nghch lu Khỏi nim: Nghch lu l quỏ trỡnh bin i nng lng... bo dũng in l liờn tc a) Nguyờn lý lm vic: S d nghch lu dũng mt pha c trỡnh by nh trờn hỡnh (s cu) v hỡnh (s cú im trung tớnh) *) Xột s cu: Cỏc tớn hiu iu khin c a vo tng ụi tiristor T 1, T2 thỡ lch pha vi tớn hiu iu khin a vo ụi T3, T4 mt gúc 1800 in cm u vo ca nghch lu ln (Ld = ), do ú dũng in u vo c san phng, ngun cp cho nghch lu l ngun dũng dng dũng in ca nghch lu (i N) cú dng xung vuụng Khi... chiu v phc v cho cỏc T.. cú iu chnh tn s.Cỏc nghch lu c lp cng hng c dựng cú li khi tn s ra khong 1ữ2 KHz Cp cho cỏc thit b nhit in, thit b siờu õm v cỏc truyn ng cao tc 2.2.2 Nghch lu c lp ngun ỏp mt pha qua mỏy bin ỏp im gia a)S nguyờn lý SVTH: Nguyn Danh Sỏch Trn Vn Thng Trng c Thnh GVHD: Nguyn Trung Thnh 15 Trng i hc s phm k thut Hng yờn Khoa in in t ỏn mụn hc b)Dng súng v in ỏp Dng súng u v... cú th thay th bng s hỡnh 3.4a SVTH: Nguyn Danh Sỏch Trn Vn Thng Trng c Thnh GVHD: Nguyn Trung Thnh 23 Trng i hc s phm k thut Hng yờn Khoa in in t ỏn mụn hc Hỡnh1 3 a) S thay th ca nghch lu dũng mt pha b) nh hng ca ti i vi in ỏp Ta cú phng trỡnh ca in ỏp trờn ti: T t E.1 + e 2 Rt C 2e 2 Rt C Ut = T T 4 R C t 1 + e 2 Rt C 1 e 2 Rt C T T phng trỡnh trờn ta thy in ỏp trờn . nghịch lưu một pha 14 2.1. Tổng quan về nghịch lưu 14 2.2 .Nghịch lưu độc lập 14 2.2.2 .Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa 15 2.2.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha. hoàn thành: 1. Lập kế hoạch thực hiện 2. Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng và nguồn áp. 3. Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu: - S = 300VA; 4. Sản phẩm của. nhận đồ án môn học với đề tài: Nghiên cứu 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 nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng