Điện tử công suất bộ nghịch lưu 1 pha

BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐIỆN ÁP THẤP ĐÃ ĐƯỢC GIẢNG VIÊN CHỈNH SỬA DÙNG MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU 1 PHA SỬ DỤNG MẠCH TĂNG ÁP

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA 2

1 Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha 2

2 Giới thiệu và phân loại mạch nghịch lưu một pha 2

2.1 Giới thiệu 2

2.2 Phân loại 2

3 Chức năng của mạch nghịch lưu một pha 3

4 Nguyên lí làm việc chung của mạch nghịch lưu một pha 3

5 Ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha 3

5.1 Biến tần điều khiển tốc độ động cơ 3

5.2 Bộ chuyển đổi xoay chiều trong pin mặt trời 4

5.3 Bộ lưu điện dự phòng cho máy tính 5

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN MẠCH NGHỊCH LƯU 8

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA ĐIỆN ÁP THẤP 15

1 Sơ đồ cấu trấu trúc mạch nghịch lưu nguồn áp (kết hợp mạch tăng áp) 15

2 Phương pháp điều khiển 15

3 Tiến hành mô phỏng trên Psim 15

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA1 Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộbiến đổi điện áp DC/AC Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãiđặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm nănglượng, sử dụng trong sinh hoạt khi mất điện lưới Và được sử dụng trong cáclĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền độngxoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim…

2 Giới thiệu và phân loại mạch nghịch lưu một pha2.1 Giới thiệu

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòngđiện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độclập Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, ác quy và cácnguồn điện một chiều độc lập khác

Hình 1.3 Sơ đồ nghịch lưu ba pha

Cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịchlưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng.

Ngoài ra còn có nhiều cách phân loại mạch nghịch khác nhau nhưng haicách trên là phổ biến nhất

3 Chức năng của mạch nghịch lưu một pha

Mạch nghịch lưu 1 pha là một loại mạch điện được sử dụng để đảo ngượchướng dòng điện trong một mạch điện Chức năng của mạch nghịch lưu 1 pha làcho phép dòng điện chạy qua mạch theo cả hai hướng, từ nguồn điện đến tải vàtừ tải đến nguồn điện

Hiện nay, nhu cầu sử dụng bộ nghịch lưu một pha được sử dụng rất phổbiến trong các thiết bị khác nhau như: Biến tần điều khiển tốc độ động cơ, bộlưu điện dự phòng cho máy tính, máy lạnh Inverter, quạt điện động cơ khôngchổi than, bộ chuyển đổi điện xoay chiều trong các bộ pin mặt trời…

4 Nguyên lí làm việc chung của mạch nghịch lưu một pha

Nguyên lí hoạt động chung của mạch nghịch lưu một pha là tạo ra dòngđiện xoay chiều trong đó dòng điện chạy qua một thiết bị nghịch lưu như mộtcuộn dây hay một bộ điều chỉnh điện áp để chuyển đổi nguồn xoay chiều thànhnguồn một chiều hoặc ngược lại Chúng thường được sử dụng trong các ứngdụng như biến tần, điều chỉnh tốc độ động cơ và các ứng dụng điều khiển điệnáp.

5 Ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha5.1 Biến tần điều khiển tốc độ động cơ

Mạch Nghịch lưu trong biến tần điều khiển tốc dộ động cơ được sử dụngđể xuất ra điện áp AC từ điện áp DC Được sử dụng để cấp điện áp/tần số biếnthiên được tạo ra cho động cơ Sử dụng các bộ phận đóng cắt bán dẫn (IGBT vàbộ phận tương tự) có thể bật và tắt.

Bốn công tắc, S1 đến S4 được nối với nguồn điện áp DC Trong đó cáccông tắc S1 và S4 được ghé với nhau và các công tắc S2 và S3 cũng tương tự.

Khi các cặp công tắc được bật, tắt, dòng điện đi qua đèn như trong biểu đồ dướiđây:

5.2 Bộ chuyển đổi xoay chiều trong pin mặt trời

Hình 1.5 Bộ chuyển đổi xoay chiều trong pin mặt trời(Bộ inverter hòa lưới)

Mạch nghịch lưu 1 pha được sử dụng trong bộ chuyển đổi điện xoay chiềutrong pin mặt trời để chuyển đổi điện năng từ tấm pin mặt trời thành điện năngcó thể sử dụng được trong các thiết bị điện gia dụng

Hình 1.4 Sơ đồ mạch của một bộ biến tần

Hình 1.6 Sơ đồ khối về một bộ pin mặt trời

Khi tấm pin mặt trời nhận được ánh sáng mặt trời, nó sẽ tạo ra một dòngđiện một chiều Tuy nhiên, các thiết bị điện gia dụng sử dụng điện năng xoaychiều, do đó cần phải chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoaychiều Bộ chuyển đổi điện xoay chiều trong pin mặt trời bao gồm một mạchnghịch lưu 1 pha và một bộ điều khiển Mạch nghịch lưu 1 pha sẽ đảo ngượchướng dòng điện từ tấm pin mặt trời, tạo ra một dòng điện xoay chiều Bộ điềukhiển sẽ điều chỉnh tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều để đảm bảo rằngnó phù hợp với các thiết bị điện gia dụng

Với sự phát triển của công nghệ pin mặt trời, bộ chuyển đổi điện xoaychiều trong pin mặt trời đã trở thành một phần quan trọng của các hệ thống điệnmặt trời Nó giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời giảm chiphí và tăng tính tiện dụng cho người sử dụng.

5.3 Bộ lưu điện dự phòng cho máy tính

Hình 1.7 Bộ lưu điện

Mạch nghịch lưu một pha được sử dụng trong các bộ điện lưu dự phòng cho máy tính để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều khi nguồn chính gặp sự cố Khi nguồn chính gặp sự cố (mất điện), bộ lưu điện sẽtự động chuyển đổi sang nguồn điện dự phòng từ pin hoặc bộ lưu trữ, giúp máy tính hoạt động bình thường mà không bị gián đoạn Từ đó bảo vệ dữ liệu và tránh mất dữ liệu do mất điện đột ngột.

Hình Mạch tăng áp ngoài thực tế

Nguyên lí hoạt động của mạch tăng áp:

- Khi cấp nguồn cho mạch không có gì xảy ra Tụ điện đầu ra được sạc đến điện áp đầu vào trừ đi một lần sụt điốt (thường là 0,6V) Lúc này công tắc Switching chưa đóng.

- Khi MOSFET đã bật Tất cả dòng điện được chạy hướng qua MOSFET thông qua cuộn cảm Lưu ý rằng tụ điện đầu ra vẫn được sạc vì nó không thể phóng điện qua diode phân cực ngược Nguồn điện không bị đoản mạch ngay lập tức, vì cuộn cảm làm cho dòng điện tăng lên tương đối chậm Ngoài ra, một từ trường hình thành xung quanh cuộn cảm Lưu ý đến cực tính của điện áp đặt trên cuộn cảm.

MOSFET bị tắt và dòng điện đến cuộn cảm bị dừng đột ngột.

- Bản chất của một cuộn cảm là duy trì dòng điện trơn tru Cuộn cảm không thích sự thay đổi đột ngột của dòng điện Vì vậy nó không thích sự tắt độtngột của dòng điện Nó đáp ứng điều này bằng cách tạo ra một điện áp lớn có cực tính ngược lại với điện áp ban đầu được cung cấp cho nó bằng cách sử dụng năng lượng được lưu trữ trong từ trường để duy trì dòng điện đó.

Nếu quên phần còn lại của các phần tử mạch và chỉ chú ý đến các ký hiệu cực, ta nhận thấy rằng cuộn cảm lúc này hoạt động giống như một nguồn điện ápmắc nối tiếp với điện áp cung cấp Điều này có nghĩa là cực dương của diode ở điện áp cao hơn so với cực âm và được phân cực thuận.

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN MẠCH NGHỊCH LƯU1 Một số mạch nghịch lưu đã biết

1.1 Mạch nghịch lưu nguồn áp

Mạch nghịch lưu nguồn áp (buck-boost converter) là một loại mạch điệntử được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra.

Hình 2.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp cầu một pha

Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của mạch nghịch lưu nguồn áp:

Hình 2.2 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn dòng

Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của mạch nghịch lưu nguồn dòng:

1.3 Mạch nghịch lưu cầu một pha

Mạch nghịch lưu cầu 1 pha (single-phase inverter) là một loại mạch điệntử được sử dụng để chuyển đổi điện năng từ nguồn DC sang nguồn AC

HÌnh 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu một pha

Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của mạch nghịch lưu cầu 1 pha:

+ Giá trị nhỏ nhất mà cuộn cảm chịu được:

L =D¿ ¿

Và để cho mạch hoạt động tốt hon thì ta có thể chọn cuộn cảm có giá trị lớn hơn Nên ta sẽ chọn cuộn cảm có giá trị là L = 500 μHH và dòng I = 3 (A).- Tính thông số tụ C: (có độ đạp điện áp: 1%)

+ Dòng cực đại qua van:

Ivmax = IDmax=22 (A)

*Tính chọn IGBT:

- Điện áp đặt vào van là U = 220 V

- Coi tải là thuần trở ta có dòng qua van là I = P/U = 500/220 =2,3(A)- Điện áp của van phải thỏa mãn điều kiện sau:

Uv=(1,6 ÷2 )Ungmax=2× 220=440 (V )

- Đối với IGBT ta cần có phương pháp làm mát => chọn phương pháp làm mát tự nhiên, nên khả năng chịu dòng điện sẽ là từ 25 – 30% dòng định mức ghi trênvan.

I = (25-30%)IVRMS

Trong đó: I là dòng qua van

IVRMS là dòng hiệu dụng qua van <=> IVRMS = 25 %I =2,3

4 Tính chọn máy biến áp (MBA một pha DC)

Hình Máy biến áp 2 đầu ra AC và DC

Máy biến áp được sử dụng trong phòng thí nghiệm, được sử dụng để giảmhẹ nguồn điện gia dụng xuống điện áp thấp, phù hợp với nhu cầu sử dụng nguồnthấp trong phòng thí nghiệm.

Các thông số kỹ thuật của một máy biến áp:

- Đầu ra DC với dòng điện một chiều, các điện áp có thể lấy ra: điện áp(0~12V), dòng điện (3A), điều tiết tải (750mV), công suất điều tiết (20mV).

- Đầu ra AC với đong điện xoay chiều với các thông số: điện áp (2, 4,6 ,12V) và dòng ra (3A).

- Điện áp đầu vào: 220 ~ 240 VAC ± 10%, tần số f = 50Hz hoặc 110 ~127 VAC ± 10%, tần số f = 60Hz (điện á đầu vào là điện áp gia dụng, dễ sửdụng và điều chỉnh).

Và để phù hợp với yêu cầu của đề tài thì ta sẽ chọn máy biến áp có điểmgiữa.

Hình 2 Sơ đồ máy biến áp có điểm giữa

- Máy biến áp có các thông số như sau: U11=U12=48V, U2=220V- Công suất của máy biến áp là: P=η U2 I2=374 (W )

Trong đó: P là công suất máy biến áp

η là hiệu suất máy biến áp (η=Pv

Pr×100 %¿

U2, I2 là điện áp và dòng điện trên cuộn thứ cấp của máy biên ápVới bài này ta chọn η=0,85

I2= Pη U2=

0,85.220=2( A)

- Ta có tỉ số của máy biến áp:

I2=¿I1=U2 I2U1 =

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHAĐIỆN ÁP THẤP

1 Sơ đồ cấu trấu trúc mạch nghịch lưu nguồn áp (kết hợp mạch tăng áp)

Sơ đồ cấu trúc mạch nghịch lưu kết hợp tăng áp

2 Phương pháp điều khiển

- Sử dụng phương pháp điều khiển PWM

Tín hiệu PWM được tạo ra từ bộ điều khiển để kiểm soát độ rộng xungcủa IGBT Khi IGBT mở, năng lượng từ nguồn được chuyển đến tải Điều chỉnhđộ rộng xung sẽ kiểm soát năng lượng được chuyển đi và do đó kiểm soát đầura.

3 Tiến hành mô phỏng trên Psim

*Điện áp đầu vào

*Điện áp đầu ra của mạch tăng áp

=> Điện áp đã được nâng lên, nhưng chưa đúng với yêu cầu là Ura=220V Nên cần phải xem lại tính toán thông số.

*Điện áp đầu ra mạch nghịch lưu (nếu đầu vào là 220VDC)

KẾT LUẬN

Mạch nghịch lưu có chức năng biến đổi dòng một chiều thành dòng xoaychiều Đối với đề tài này, nhóm chúng em đã nghiên cứu và chế tạo một bộnghịch lưu một pha điện áp thấp (kết hợp với mạch tăng áp) và đã chế tạo thànhcông, đáp ứng được yêu cầu của đề tài Nhưng kết quả thu được chưa được khảquan, thông số đầu ra chưa đáp ứng được yêu cầu của đề tài nên vẫn cần phảitính toán lại các thông số Với đề tài này trong cuộc sống hết sức phổ biến vàđược nhiều người lựa chọn sử dụng.

Thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu đề tài này đã giúp chúng em cómột cái nhìn rõ ràng, cụ thể hơn về mạch nghịch lưu một pha (kết hợp với mạchtăng áp) Bên cạnh đó, chúng em cũng đã học được thêm các kỹ năng mới chobản thân như: nghiên cứu và thiết kế mạch điện, thiết kế mạch điện trên phầnmềm Psim, biết cách tính toán chọn các phần tử trong mạch điện, biết cách tìmhiểu các nguồn tài liệu,…

Tài liệu tham khảo

1 Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ Thuật, 2009 2 Điện tử công suất, NXB Giáo Dục, 2004

3 Giáo trình điện tử công suất

4 Cấu tạo mạch tăng áp: https://dientutuonglai.com/mach-boost-la-gi.html