Nghịch lưu 1 pha

Bài tập lớn Điện tử công suất về bộ nghịch lưu 1 pha điện áp thấp nguồn vào 24V, nguồn ra 110V, công suất 500VA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mã: 13350 Học kỳ: 2 – Năm học: 2023 – 2024

Đề tài: Số 38 Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha

SINH VIÊN NGUYỄN XUÂN TUẤN

 Định nghĩa nghịch lưu 1 pha

 Phương pháp hoạt động của quá trình nghịch lưu

 Phân loại nghịch lưu 1 pha: nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc

 Yêu cầu của công nghệ:

Chương 2 Tính chọn mạch công suất

 Tính chọn máy biến áp

 Tham số n1,n2, P, Q, S

 Tính chọn bảo vệ quá áp

 Tính chọn bảo vệ quá dòng

 Tính chọn bảo vệ quá nhiệt

Chương 3 Mô phỏng mạch công suất

 Trình bày sơ đồ cấu trúc mạch công suất:

 Giới thiệu phương pháp điều khiển:

 Phương pháp sóng điều hòa cơ bản

 Kiểm tra đánh giá

 Trình bày kết quả mô phỏng ( có bản vẽ A3)

 Nhận xét, đánh giá kết quả thu được

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

LỜI CẢM ƠN 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 Tổng quan về công nghệ nghịch lưu 7

1.1 Định nghĩa nghịch lưu 7

1.2 Phương pháp hoạt động 7

1.3 Phân loại nghịch lưu 1 pha 10

1.4 Yêu cầu công nghệ 12

1.5 Phạm vi ứng dụng 12

CHƯƠNG 2 Tính toán và thiết kế mạch công suất 13

2.1 Một vài sơ đồ công suất có liên quan 13

2.1.1 Sơ đồ cầu 13

2.1.2 Sơ đồ bán cầu 13

2.1.3 Sơ đồ hình tia 14

2.2 Phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất 14

2.2.1 Sơ đồ cầu 14

2.2.2 Sơ đồ bán cầu 16

2.2.3 Sơ đồ hình tia 16

2.3 Chọn mạch công suất phù hợp 17

2.4 Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch 18

1 Điện áp chịu đựng (Vdss): 20

2 Dòng điện (I d): 20

3 Rds¿ on): 20

4 Khả năng tản nhiệt: 20

5.Tính chọn cánh tản nhiệt của mosfet: 22

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ 23

2.6 Tính chọn máy biến áp 24

1) Xác định tỉ số máy biến áp: 26

2) Tính dòng điện đầu vào và đầu ra của máy biến áp: 26

3) Chọn thông số máy biến áp: 27

CHƯƠNG 3 Mô phỏng mạch công suất 28

3.1 Sơ đồ cấu trúc mạch công suất 28

3.2 Giới thiệu các phương pháp điều khiển 28

3.3 Kịch bản mô phỏng 29

Kết luận 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

PHỤ LỤC 34

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha 8

Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính 8

Hình 1.3: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha 9

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu hình cầu 13

Hình 2.2: sơ đồ nghịch lưu hình bán cầu 13

Hình 2.3: sơ đồ nghịch lưu hình tia 14

Hình 2.4 sơ đồ nghịch lưu hình cầu 14

Hình 2.5 sơ đồ các góc thông dòng của mạch 15

Hình 2.6 sơ đồ điện áp trên tải của mạch hình bán cầu 16

Hình 2.7 sơ đồ điện áp ra trên tải của mạch hình tia 16

Hình 2.8 sơ đồ điện áp ra trên tải và xung biểu thị của mạch hình tia 17

Hình 2.9 xung của mạch khi điện áp đạt đến 26V 18

Hình 2.10 cấu tạo mosfet 19

Hình 2.11 sơ đồ cấu tạo và hình ảnh mosfet 21

Hình 2.12 Datasheet mosfet 21

Hình 2.13 hình ảnh biến áp 25

Hình 3.1 sơ đồ mạch công suất 28

Hình 3.2 sơ đồ biểu thị phương pháp điều khiển PWM 29

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến Thầy Vũ Ngọc Minh khoa Điện tự động công nghiệp đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy

cô nên đề tài nghiên cứu của em mới có thể hoàn thiện tốt đẹp.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy/cô – người đã trực tiếp giúp đỡ, quan tâm, hướng dẫn em hoàn thành tốt bài báo cáo này trong thời gian qua Bài báo cáo được lam trong suốt quá trình học Bước đầu khi nghiên cứu bọn

em còn những hạn chế và không tránh khỏi những thiếu sót , em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Thầy Cô để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình.

Em xin chân thành cảm ơn

MỞ ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sản suất Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều Trong khi đó năng lượng điệu xoay chiều không kém phần quan trọng như:

 Hệ thống điện lưới quốc gia

 Cung cấp cho các thiết bị điện gia dụng…

Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện 1 chiều thành năng lượng điện xoay chiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ nghịch lưu.

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn như: Diod, Thyristor,Mosfet…

Có 5 loại nghịch lưu chính:

 Nghịch lưu độc lập : làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý.

 Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển

 Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý.

 Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý.

 Nghịch lưu cộng hưởng: Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng.

CHƯƠNG 1 Tổng quan về công nghệ nghịch lưu

Hình 1.1: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld = do đó dòng điện đầu vàođược san phẳng (hình 1.3), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng

và 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 Đồngthời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện vớidấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua

tụ giảm về không Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầudòng 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 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 và T2

bị khóa

Hình 1.3: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha

Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời Sau đó tụ C sẽ đượcnạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính

“ – ” ở bên trái, dòng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu Đếnthời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bịkhóa lại và quá trình được lặp lại như trước

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạchcho các tiristo Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4 , tiristo T1 và T2 sẽ

bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên ( hình 1.3) Khoảng thờigian duy trì điện áp ngược t1 t1’ là cần thiết để duy trì quá trình khóa

và phục hồi tính chất điều khiển của van và t1 – t1’ = tk toff ; toff làthời gian khóa của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chấtđiều khiển

Trong đó : tk là góc khóa của nghịch lưu

1.3 Phân loại nghịch lưu 1 pha

 Nghịch lưu độc lập : làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từcác nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thànhxoay chiều với tần số pha tuỳ ý Tần số và điện áp nghịch lưu.Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý Có hai dạng sơ đồ nghịch lưuđộc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính

 Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu

có điều khiển Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưutrong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu vàgóc mở  của các tiristo thoả mãn điều kiện (/2 <  < ) lúc đócông xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay Tần số

và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lướixoay chiều

 Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thànhdòng xoay chiều có tần số tùy ý

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấpđiện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầuvào Ld thường có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục

 Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thànhnguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý

Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế.Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theophương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậccao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì côngsuất của các

van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ Hơn nữa việc sửdụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biếnđổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp.

Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO,MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đónghịch lưu áp trở thành bộ biến

đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần côngnghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau đây sử dụngvan điều khiển hoàn toàn

Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là cáckhóa

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

 Nghịch lưu cộng hưởng:

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyểnmạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng Giá trị điện cảmkhông lớn như nghịch lưu dòng ( Ld = ) và không nhỏ hơnnghịch lưu áp ( Ld = 0 ), mà chiếm một vị trí trung gian sao chokhi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch

sẽ xuất hiện hiện tượng dao động

1.4 Yêu cầu công nghệ

 Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phầnlớn là linh kiện công suất Mạch sử dụng các van bán dẫncông suất như Transistor, MOSFET, IGBT…Trong quátrình chạy mạch thì xung tạo ra là xung vuông và được

khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor,IGBT…

và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệchế tạo các phần tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượtbậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộbiến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngàycàng dễ dàng hơn

CHƯƠNG 2 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

2.1.1 Sơ đồ cầu

2.1.2 Sơ đồ bán cầu

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu hình cầu

Hình 2.2: sơ đồ nghịch lưu hình

bán cầu

Hình 2.3: sơ đồ nghịch lưu hình tia

2.2 Phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất

Hình 2.4 sơ đồ nghịch lưu hình cầu

Hình 2.5 sơ đồ các góc thông dòng của mạch

Ψ R: Góc thông dòng của các diode ngược

Sơ đồ này cho phép điều chỉnh tỉ số biến đổi nhờ điều khiển khôngđối xứng quá trình đóng mở các cặp van.Bằng cách điều chỉnh góclệch pha giữa quá trình đóng ,mở các van ta có thể điều chỉnh đượcđiện áp hiệu dụng ra tải.Từ đó cá khả năng điều chỉnh dạng điện áp ragần sin hơn.Tuy nhiên việc tính toán điều khiển đóng mở các van nóichung khá phức tạp để tránh hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạchnguồn

2.2.2 Sơ đồ bán cầu

Hình 2.6 sơ đồ điện áp trên tải của mạch hình bán cầu

-Với sơ đồ này ta chỉ có thể tiến hành điều chỉnh tần số f =1

T củađiện áp phụ tải U nhờ thay đổi thời gian đóng ,mở của các khóa điệnT1 và T2 mà không thay đổi được giá trị hiệu dụng U của điện ápxoay chiểu ở đầu ra của bộ biến đổi vì điện áp U trên tải có trị số hiệudụng không đổi

U = E

2

-Đồng thời cần 2 nguồn đối xứng nhau

2.2.3 Sơ đồ hình tia

Hình 2.7 sơ đồ điện áp ra trên tải của mạch hình tia

Sơ đồ này phải sử dụng biến áp có điểm giữa nên mạch cồngkềnh,đồng thời điện áp hiệu dụng ra trên tải cũng không thay đổiđược,nó luôn là U = 2 n2

n1 E

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 mạchtheo sơ đồ hình tia, sử dụng biến áp có điểm giữa kết hợp đẩy kéokhuếch đại công suất Sơ đồ mạch như sau:

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

U =−2n2

n1 E

Hình 2.8 sơ đồ điện áp ra trên tải và xung biểu thị của mạch hình tia

Trong điều kiện lí tưởng điện áp ra có dạng xung vuông như hình trên.Nhưng trong thực tế, điện áp trong ắc quy sẽ bị hao hụt theo thời giannên sẽ có 2 trường hợp:

 Trường hợp 1: trong điều kiện ắc quy no điện áp sẽ đạt đến26V, khi đó ta phải đóng van sớm hơn so với mạch ban đầu

Hình 2.9 xung của mạch khi điện áp đạt đến 26V

 Trường hợp 2: trong điều kiện ắc quy bị hao hụt điện áp đếnmức thấp nhất thì ta phải đóng van muộn hơn so với mạchban đầu.

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 dòngđiện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếchđại các nguồn tín hiệu yếu

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

Cấu tạo mosfet như sau:

Hình 2.10 cấu tạo mosfet

được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớpmàng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G.

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là

vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện ápchênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS )

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở R d s rất lớn, khi điện áp UGS > 0 =>

do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở R d s giảm, điện áp UGS cànglớn thì điện trở RDS càng nhỏ

Để chọn MOSFET cho mạch hình tia nghịch lưu điện áp thấp với cácthông số nguồn vào 24V, nguồn ra 110V, và công suất 500VA, bạncần xem xét một số yếu tố chính: điện áp chịu đựng (V_DS), dòngđiện (I_D), trở kháng kênh dẫn (R d s (on)), và khả năng tản nhiệt Dướiđây là các bước chi tiết:

- Công suất đầu ra là 500VA, và giả sử hiệu suất của bộ nghịch lưu

là khoảng 90%, công suất đầu vào sẽ là khoảng 5000.9 ≈ 555 W

- Dòng điện đầu vào có thể tính bằng công thức:

3 R ds¿on):

- Chọn MOSFET có trở kháng kênh dẫn (R ds(on)) thấp để giảm tổn hao công suất và nhiệt sinh ra R ds (on) càng thấp thì MOSFET càng hiệu quả

4 Khả năng tản nhiệt:

- Xác định công suất tiêu tán trên MOSFET bằng công thức:

P=I d2× R ds(on)

MOSFET có thể phù hợp với yêu cầu trên là IRLZ44N:

- V d ss= 55V

- I d = 47A

- R d s (on) = 0.022Ω

5.Tính chọn cánh tản nhiệt của mosfet:

1 Công suất khi dẫn trên mosfet:

 Dòng điện đầu vào (khi điện áp là 20V): I ≈ 27 75 A

 Giả sử, với hiệu suất là 90% công suất đầu vào sẽ là ≈ 555.56 W

 Với MOSFET IRLZ44N, R d s (on) = 0.022Ω

 Tính toán thời gian đóng mở van:

Thời gian mở van: t on=t d (on)+t r=11+84=95 ns

Thời gian đóng van: t off=t d (off )+ t f=26+15=41ns

 Công suất khi dẫn trên MOSFET

P=I2× R D(on)

¿ =(20.83) 2

× 0.022≈ 9.56 W¿

Công suất chuyển mạch( giả sử tần số chuyển mạch là 50khz):

Hình 2.11 sơ đồ cấu tạo và hình ảnh mosfet

Hình 2.12 Datasheet mosfet

2 Tính nhiệt độ (T j):

 Nhiệt độ môi trường (Ta) giả định là 40°C

 Nhiệt trở junction-to-case (R θjcjc) của IRLZ44N là khoảng 1.0°C/W

 Nhiệt trở junction-to-ambient (R θjcja) của IRLZ44N là khoảng 62°C/

4 Tính toán nhiệt trở của cánh tản nhiệt (R θjcsa)

- Chọn cánh tản nhiệt với giá trị nhiệt trở tản nhiệt nhỏ hơn hoặc

bằng 8°C/W để đảm bảo MOSFET hoạt động ổn định và không

bị quá nhiệt

- Cánh tản nhiệt phù hợp là cánh tản nhiệt dạng pin:

Wakefield-Vette 658-35AB, có điện trở nhiệt khoảng 6°C/W, chiềudài:27,94 mm, chiều rộng: 27,94 mm, chiều cao: 8,89mm

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ

Để chọn các phần tử bảo vệ cho mạch nghịch lưu điện áp thấp sửdụng MOSFET với nguồn vào 24V, nguồn ra 110V, và công suất500VA, cần xem xét các thành phần bảo vệ như cầu chì, diode bảo vệ,

và các mạch bảo vệ chống quá áp và quá dòng

1) Mạch bảo vệ quá áp:

 Công suất đầu vào: 555.56W (với hiệu suất 90%)

 Dòng điện đỉnh: I ≈ 23.15( A)