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

1 Một số mạch nghịch lưu đã biết 8

1.1 Mạch nghịch lưu nguồn áp 8

1.2 Mạch nghịch lưu nguồn dòng 8

1.3 Mạch nghịch lưu cầu một pha 9

2 Tính chọn các van bán dẫn 10

3 Các phần tử bảo vệ mạch 12

4 Tính chọn máy biến áp (MBA một pha DC) 13

5 Một số phụ kiện khác 14

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 PHA

1 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 bộ biến đổi điện áp DC/AC Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm năng lượng, sử dụng trong sinh hoạt khi mất điện lưới Và được sử dụng trong các lĩnh vực như cung cấp điện từ các nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim…

2 Giới thiệu và phân loại mạch nghịch lưu một pha

2.1 Giới thiệu

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

2.2 Phân loại

Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha

Hình 1.1.Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha

Hình 1.3 Sơ đồ nghịch lưu ba pha

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

Ngoài ra còn có nhiều cách phân loại mạch nghịch khác nhau nhưng hai cách 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 ngược hướng dòng điện trong một mạch điện Chức năng của mạch nghịch lưu 1 pha là cho phép dòng điện chạy qua mạch theo cả hai hướng, từ nguồn điện đến tải và

từ tải đến nguồn điện

Hiện nay, nhu cầu sử dụng bộ nghịch lưu một pha được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị khác nhau như: Biến tần điều khiển tốc độ động cơ, bộ lưu điện dự phòng cho máy tính, máy lạnh Inverter, quạt điện động cơ không chổi 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 dòng điện xoay chiều trong đó dòng điện chạy qua một thiết bị nghịch lưu như một cuộn dây hay một bộ điều chỉnh điện áp để chuyển đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều hoặc ngược lại Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như biến tần, điều chỉnh tốc độ động cơ và các ứng dụng điều khiển điện áp

5 Ứng dụng của mạch nghịch lưu một pha

5.1 Biến tần điều khiển tốc độ động cơ

Mạch Nghịch lưu trong biến tần điều khiển tốc dộ động cơ được sử dụng

để xuất ra điện áp AC từ điện áp DC Được sử dụng để cấp điện áp/tần số biến thiên được tạo ra cho động cơ Sử dụng các bộ phận đóng cắt bán dẫn (IGBT và

bộ phận tương tự) có thể bật và tắt

Bốn công tắc, S1 đến S4 được nối với nguồn điện áp DC Trong đó các công 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 dưới đây:

Dạng sóng dòng điện:

- Khi các công tắc S1 và S4 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng A

- Khi các công tắc S2 và S3 được bật lên, dòng điện đi qua đèn theo hướng B

Nếu hoạt động của các công tắc này lặp lại theo một chu kỳ định sẵn Hướng đi của dòng điện sẽ thay đổi qua lại để tạo ra dòng điện xoay chiều

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 chiều trong pin mặt trời để chuyển đổi điện năng từ tấm pin mặt trời thành điện năng

có 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 dòng điện một chiều Tuy nhiên, các thiết bị điện gia dụng sử dụng điện năng xoay chiều, do đó cần phải chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều Bộ chuyển đổi điện xoay chiều trong pin mặt trời bao gồm một mạch nghịch lưu 1 pha và một bộ điều khiển Mạch nghịch lưu 1 pha sẽ đảo ngược hướng dòng điện từ tấm pin mặt trời, tạo ra một dòng điện xoay chiều Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều để đảm bảo rằng

nó phù hợp với các thiết bị điện gia dụng

Với sự phát triển của công nghệ pin mặt trời, bộ chuyển đổi điện xoay chiều trong pin mặt trời đã trở thành một phần quan trọng của các hệ thống điện mặt trời Nó giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời giảm chi phí 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 sẽ

tự 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

* Mạch tăng áp

Mạch tăng áp có tác dụng biến điện áp đầu vào thành điện áp lớn hơn ở đầu ra Tất cả những gì cần có của một mạch tăng áp bao gồm:

- Một cuộn cảm

- Một công tắc bán dẫn (ngày nay đó là MOSFET, nói chung là cần một cái công tắc bán dẫn đóng mở với tốc độ nhanh)

- Một diode

- Một tụ điện

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 đột ngột 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 áp mắc 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 LƯU

1 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 điện

tử 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:

*Ưu điểm:

- Mạch nghịch lưu nguồn áp có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra, giúp đảm bảo độ ổn định của hệ thống

- Mạch này có thể hoạt động ở nhiều mức điện áp đầu vào khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống

- Mạch nghịch lưu nguồn áp có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian

và chi phí

*Nhược điểm:

- Mạch nghịch lưu nguồn áp có độ phức tạp cao hơn so với một số mạch điện tử khác

- Mạch này có thể gây ra nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống

- Mạch nghịch lưu nguồn áp có thể gây ra mất điện năng và tăng nhiệt độ của hệ thống

1.2 Mạch nghịch lưu nguồn dòng

Mạch nghịch lưu nguồn dòng (buck converter) là một loại mạch điện tử được sử dụng để điều chỉnh dòng điện đầu ra

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:

*Ưu điểm:

- Mạch nghịch lưu nguồn dòng có thể điều chỉnh được dòng điện đầu ra, giúp đảm bảo độ ổn định của hệ thống

- Mạch này có thể hoạt động ở nhiều mức dòng điện đầu vào khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống

- Mạch nghịch lưu nguồn dòng có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian và chi phí

*Nhược điểm:

- Mạch nghịch lưu nguồn dòng có độ phức tạp cao hơn so với một số mạch điện tử khác

- Mạch này có thể gây ra nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống

- Mạch nghịch lưu nguồn dòng có thể gây ra mất điện năng và tăng nhiệt

độ của hệ thống

1.3 Mạch nghịch lưu cầu một pha

Mạch nghịch lưu cầu 1 pha (single-phase inverter) là một loại mạch điện

tử 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:

*Ưu điểm:

- Mạch nghịch lưu cầu 1 pha có thể chuyển đổi điện năng từ nguồn DC sang nguồn AC với tần số và điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh

- Mạch này có thể được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị điện tử như máy tính, tivi, đèn LED, máy lạnh, máy giặt, v.v…

- Mạch nghịch lưu cầu 1 pha có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian

và chi phí

*Nhược điểm:

- Mạch nghịch lưu cầu 1 pha có độ phức tạp cao hơn so với một số mạch điện tử khác

- Mạch này có thể gây ra nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống

- Mạch nghịch lưu cầu 1 pha có thể gây ra mất điện năng và tăng nhiệt độ của hệ thống

2 Tính chọn các van bán dẫn

Đối với mạch nghịch lưu một pha với đầu vào là 48 VDC và đầu ra là 220V, thì cần tính chọn van bán dẫn như sau:

*Tính chọn phần tử làm khóa chuyển mạch (phần động lực)

- Đối với mạch tăng áp thì gồm có các thành thần sau: Mosfet, điện cảm (L), diode, tụ (C), điện trở (R) và một nguồn điện

- Ta chọn các thông số để tính thông số các phần tử của mạch tăng áp:

+ Chọn R = 220 , với dòng qua tải là I = 4,6 (A)

+ Duty cycle (chu kì) D = 1 - V¿

V out=1−

48

220=0,78

+ Tần số hoạt động của mạch là f = 10k (Hz)

- Tính thông số cuộn cảm:

+ 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%)

+ Giá trị nhỏ nhất của tụ C:

C min= D

2 Rfr %=

0,78 220.2.10000 0,01=18 μHF

Và cũng như trên, ta có thể chọn tụ lớn hơn so với kết quả ta tính được, nên ta sẽ chọn tụ có giá trị 400 μHF

- Tính thông số diode:

+ Dòng ước tính qua diode:

I D=1−D

2 f I L= 1−0,78

2.10000.4,6=50,6 μHA

+ Dòng cực đại qua diode:

I Dmax=I L+∆ I L

2 =21+

0,3.0,78

2 =22(A )

Vậy ta sẽ chọn diode có tần số cao lớn hơn 1A và chịu được 220V

- Tính chọn thông số van mosfet:

+ Dòng trung bình qua van là:

I v=D I L=0,78.21=17( A)

+ 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:

U v=(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 trên van

I = (25-30%)IVRMS

Trong đó: I là dòng qua van

IVRMS là dòng hiệu dụng qua van

<=> IVRMS = 25 %I = 2,3

25 %=9,2( A )

Như vậy, ta chọn van IGBT: FB10R06VL4 với thông số Uv = 600 (V) và

Iv =10(A)

3 Các phần tử bảo vệ mạch

Để bảo vệ hệ thống khỏi các nguy cơ như dòng quá tải, ngắn mạch và quá

áp, chúng ta có thể chọn các thiết bị bảo vệ như sau:

- Aptomat: bảo vệ dòng quá tải và ngắn mạch Có thể chọn aptomat có khả năng cắt nguồn tự động khi phát hiện ngắn mạch hoặc dòng quá tải

Hình Aptomat

- Bảo vệ quá áp: có thể sử dụng một thiết bị bảo vệ quá áp như biến thế bảo vệ quá áp, để ngăn chặn các vấn đề liên qua đến quá áp trong hệ thống điện

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 giảm

hẹ nguồn điện gia dụng xuống điện áp thấp, phù hợp với nhu cầu sử dụng nguồn thấp 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 sử dụng và điều chỉnh)

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

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= P v

P r ×100 %¿

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

I2= P

η U2=

374 0,85.220=2( A)

- Ta có tỉ số của máy biến áp:

U1

U2=

I1

I2=¿I1 =U2 I2

U1 =

220.2

48 ×2=4,6( A)

- Do đây là máy biến áp có điểm giữa nên điện áp cuộn sơ cấp U1=48 x 2 = 96(V)

- Công suất máy biến áp cần chọn là:

P=U1 I1=96.4,6=441,6(VA)

Như vậy, ta cần lựa chọn máy biến áp có công suất là P = 442 (VA) và dòng điện I = 4,6 (A)

5 Một số phụ kiện khác

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại phụ kiện điện tử khác nhau về

số lượng, chủng loại, mẫu mã,…Nhưng đối với “mạch nghịch lưu nguồn dòng” thì ta cần một tụ điện (C) và điện trở R

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA

ĐIỆN 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 xung của IGBT Khi IGBT mở, năng lượng từ nguồn được chuyển đến tải Điều chỉnh

độ rộng xung sẽ kiểm soát năng lượng được chuyển đi và do đó kiểm soát đầu ra

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)