Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Một vài ứng dụng của nghịch lưu trong thực tế Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực: - Cung cấp điện - Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều, - Truyền tải điện năng, - Luyện kim và c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Giảng viên hướng dẫn : GV NGUYỄN THỊ ĐIỆP

Sinh viên thực hiện : BÙI THIÊN KIỀU

PHẠM THỊ LINH

PHẠM THỊ THANH XUÂN

Lớp : D7-CNTD1

Hà Nội, tháng 04 năm 2015

Lời nói đầu

Mục lục

CHƯƠNG 1: Giới thiệu chung về nghịch lưu độc lập

I.1 Vấn đề chung

I.1.1 Nghịch lưu độc lập

I.1.2 MOSFET

I.1.3 Một số sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp

CHƯƠNG 2: Tính toán và thiết kế mạch lực

II.1 Chọn van mạch lực

II.2 Chọn các thông số mạch lọc đầu ra

II.3 Chọn các phần tử bảo vệ

CHƯƠNG 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

III.1Đưa ra cấu trúc chung mạch điều khiển nghịch lưu

CHƯƠNG 4: Mô phỏng điện áp ra

1.Đồ thị so sánh dòng nguồn vào và ra tải

2.Đồ thị điện áp ra tải

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

B.Phân loại

- Nghịch lưu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thànhnguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới, trạng thái không tải làcho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố

- Nghịch lưu độc lập dòng điện: cho phép nguồn dòng 1 chiều thành nguồn điệnxoay chiều

- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng : có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thànhmột mạch vòng dao động cộng hưởng RLC

- Tải của nghịch lưu độc lập là thiết bị xoay chiều có thể là một pha hoặc ba pha

do đó cũng được chế tạo thành hai dạng : nghịch lưu độc lập một pha và nghịchlưu độc lập ba pha

C Các loại van bán dẫn thường dùng

Dòng điện xoay chiều Dòng điện

một chiều

- Nghịch lưu độc lập nguồn áp : van điều khiển hoàn toàn transistor BT,MOSFET, IGBT hay GTO

dụng cả van bán điều khiển và điều khiển hoàn toàn

D Một vài ứng dụng của nghịch lưu trong thực tế

Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực:

- Cung cấp điện

- Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều,

- Truyền tải điện năng,

- Luyện kim và các bộ biến đổi nguồn năng lượng mới

I.1.2 MOSFET

A.Cấu tạo

Phần chính của Mosfet có cấu trúc như hai bản cực của một tụ điện

Một bản kim loại ở phía trên được nối với chân ra (chân Gate) (G - Gate)

là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớpđiện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn đioxil-silic (SiO2)

Hai cực còn lại là cực gốc (S - Source) và cực máng (D - Drain)

Cực máng là cực đón các hạt mang điện Nếu kênh dẫn là n thì các hạtmang điện sẽ là các điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ

là dương so với cực gốc Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S đểchỉ ra rằng trong điều kiện bình thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa

D và S Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưngcác lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại

Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại

có kênh dẫn kiểu n

Trong chế độ làm việc bình thường UDS > 0 Giả

sử điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng

không, UDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn

không xuất hiện

Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n phân cực ngược Điện áp UDS

hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình 2.a)

Nếu điện áp điều khiển âm, UDS < 0, thì

vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ

(p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng

sẽ không thể xuất hiện Khi điện áp điều khiển

là dương, UDS > 0 và đủ lớn bề mặt tiếp giáp

cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một

kênh dẫn thực sự đã hình thành.(hình 2.b)

Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện làcác điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi làphần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với các cấu trúc của BJT, IGBT,Thyristor là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản Dòng điện giữa cựcgốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS

Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 2.c),

có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn

tại một tiếp giáp p-n - tương đương với một

diode ngược nối giữa D và S

Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng

lượng giữa tải và nguồn thường cần có các

diode ngược mắc song song với các van bán dẫn.Ưu điểm của MOSFET là đã

có sẵn một diode nội tại như vậy

B Kí hiệu

a Mosfet kênh N b Mosfet kênh P

C Đặc tính tĩnh (đặc tuyến VA)

Khi điện áp điều khiển UDS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET

ở trạng thái khoá với điện trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S Khi UGS cỡ

5 - 7V, MOSFET sẽ ở trong chế độ dẫn Thông thường điều khiển MOSFETbằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và S Khi đó

UDS sẽ gần như tỷ lệ với dòng ID.

Đường đặc tính tĩnh V-A

Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể được tuyến tính hoá chỉ bao gồm haiđoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng .Theo đặc tính này dòng quaMOSFET chỉ xuất hiện khi điện áp điều khiển vượt qua một giá trị ngưỡng

UDS(th) Khi đó độ nghiêng của đường đặc tính khi dẫn dòng đặc trưng bởi độdẫn:

Trong đó: UDS(th), Gm là những thông số của MOSFET Người ta có thểdùng giá trị nghịch đảo của Gm điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho quá trìnhdẫn của MOSFET

D Phương pháp mở khóa van

- Nguyên tắc hoạt động

Mạch thí nghiệm sự hoạt động của Mosfet

• Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q(Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa làkhông có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện

• Khi công tắc K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp

Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng :

Điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS như trong Transistor thôngthường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường

=> làm cho điện trở RDS giảm xuống

E Các thông số cơ bản của van MOSFET

tối đa cho phép

iDM Với độ rộng xung quy

Tổn thất năng lượng khi khóa

Thời gian trễ khi khoá tD(OFF)

Thời gian tăng dòng cực máng

tR

Thời gian giảm dòng cực máng

tF

Điện dung cổng vào CISS CISS= CGS+ CGD

Điện dung cổng ra COSS COSS= CGD+ CDS

Điện dung chuyển đổi CRSS CRSS= CGD

Điện tích tổng của cực Gate QG Theo chế độ quy định

7 Nhiệt Nhiệt trở xác lập ở giữa quá

độ “np-vỏ”

RThj.C Có tản nhiệt chuẩn

Nhiệt trở xác lập quá độ môi trường”

“np-RThj.A Không có tản nhiệt

Nhiệt trở xác lập “vỏ-tản nhiệt”

F Một số hình ảnh thực tế của van:

Hình ảnh van được sử dụng trong mạch

I.1.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP

I.1.3.1.Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha

A Sơ đồ cầu nghịch lưu độc lập áp 1 pha

B Sơ đồ bán cầu nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha

C Sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha hình tia

I.1.3.2 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha

Sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp ba pha

Sơ đồ nghịch lưu được ghép từ 3 sơ đồ 1 pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc nghiên cứu ta giả thiết:

• Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều

• Van động lực cơ bản (T1,T2,T3,T4,T5,T6) làm việc với độ dẫn điện là 180

• T1 và T4 dẫn lệch nhau 180 và tạo ra pha A

• T3 và T6 dẫn lệch nhau 180 và tạo ra pha B

• T5 và T2 dẫn lệch nhau 180 và tạo ra pha C

• Các pha lệch nhau 120

I.1.4 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG MOSFET

Sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp một pha van MOSFET

A Nguyên lí

Các van được chia thành hai nhóm , Tr1,Tr2 và Tr3, Tr4, cùng hoạt động ởmọi dòng tải Van cùng nhóm điều khiển cùng nhau ( cùng mở hoặc cùng khóa)nhưng hai nhóm lại được điều khiển trái trạng thái, điều khiển nhóm này phảikhóa nhóm kia và ngược lại

Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha là trường hợp đặc biệt của băm xung áp 1chiều điều khiển đối xứng

Theo sơ đồ trên : T là chu kì điện áp ra

Trong khoảng : Tr1 , Tr2 mở còn Tr3, Tr4 khóa nên Ut=E

- Dòng từ nguồn E qua Tr1 qua tải , Tr2 rồi về nguồn

- Vào thời điểm T/2 hai van Tr1, Tr2 khóa , Tr3, Tr4 được điều khiển mởsong do dòng vẫn phải chảy theo chiều cũ (do tải có điện cảm) nên dòngkhông thể đi ngược qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chảy qua cac điot đấusong song với chúng

Trong khoảng : Tr1 , Tr2 đóng còn Tr3, Tr4 mở nên Ut= -E

- Năng lượng tích lũy điện cảm được trả về nguồn :

+ Nếu năng lượng tích lũy ở điện cảm Lt đủ lớn và không kịp tiêu tánhết thì dòng không thể về đến không , do đó chỉ có D3, D4 dẫn toàn bộkhoảng này cho đến khi van mở ở đầu chu kì

+ Nếu năng lượng tích lũy không đủ lớn thì bó sẽ bị tiêu tán hết trướcthời điểm T và dòng kịp về đến 0, tuy nhiên do lúc này Tr3, Tr4 đang mở

nên dòng tải sẽ đảo dấu , nguồn E lại cấp năng lượng cho tải Đến thờiđiểm T , Tr1, Tr2 mở trở lại , dòng đang âm nên không thể đảo chiềuđược ngay, buộc phải chảy qua diot D1, D2, chỉ đến khi năng lượng trênđiện cảm hết thì dòng mới đảo về giá trị dương.

Ở phương pháp này dòng luôn làm việc ở chế độ liên tục

Đồ thị điện áp và dòng điện mạch van.

Điện áp ra thỏa mãn các điều kiện của điện áp xoay chiều điều hòa :

• Điện áp ra có hai dấu âm và dương

• Giá trị trung bình bằng không (=0)

• Sau một nửa chu kì có giá trị bằng nhau nhưng ngược dấu : u(t)+u(t+T/2)

u(t)=-• Sau một chu kì lặp lại trạng thái : u(t)=u(t+T)

B Tính toán các thông số sơ đồ

Theo phương pháp sóng hài cơ bản :

Với hệ số k=1

Điện áp vào tải cơ bản :

Dòng tải cơ bản :

Với

Dòng trung bình qua van :

Giá trị trung bình của dòng một chiêu bằng dòng trung bình qua van

Công suất tiêu thụ từ nguồn đưa ra tải:

Công suất tải :

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Giá trị trung bình dòng qua van

• Thông số chọn van mosfet là :

Theo chỉ tiêu dòng điện ta có :

Iv > kIV ITr

Chọn kIv = 1,2

⇒ Iv > 1,2 6,3

⇒ Iv > 7,56

Điện áp các van phải chịu khi hoạt động bằng nguồn E = 245 V

Theo chỉ tiêu điện áp: UV > kUv Ung max

• Tính toán chọn tụ một chiều đầu vào :

Trong thực tế năng lượng 1 chiều không được lấy trực tiếp từ nguồn 1chiều (acqui) mà từ lưới điện xoay chiều thông qua mạch chỉnh lưu

Trong trường hợp này phải mắc ở đầu ra chỉnh lưu một tụ điện C, cónhiệm vụ:

- Làm phẳng điện áp đầu ra tạo nguồn E

- Nhận năng lượng trả về từ điện cảm tải ,vì chỉnh lưu không cho dòng đảochiều lại, trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện ápmột chiều :

Mắc thêm một cuộn kháng nối tiếp trước van mosfet,

Xét quá trình quá độ trong mạch

Tốc độ tăng dòng lớn nhất

Để đảm bảo an toàn ta phải chọn L sao cho tốc độ tăng dòng nhỏ hơn tốc

độ tăng dòng chịu được của van

Chọn cảm kháng có giá trị L= 20,75

• Bảo vệ quá áp

Dùng mạch RC mắc song song với van mosfet

Thông số RC phụ thuộc vào độ quá điện áp có thể xảy ra rất khó để tính toán

cụ thể nên thường chọn giá trị

R= 20 100 và C=

Với dòng qua van Itbv=6,73 A nhỏ lên ta chọn R lớn

Chọn R=100 và C=

Ta có mạch bảo vệ như sau :

Sơ đồ mạch lực được thiết kế như sau:

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

III.1 ĐƯA RA CẤU TRÚC CHUNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU

• Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu:

• Sơ đồ trên gồm các khâu có chức năng cụ thể là :

- Khâu phát xung chủ đạo, để tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn bộ hệ thống và có tần

số tỉ lệ với sóng hài cơ bản của điện áp ra

- Bộ phân phối các tín hiệu xung vào các van lực riêng biệt theo đúng thứ tự làm việc của chúng theo nguyên lí hoạt động

- Khâu xác định khoảng dẫn cho các van thực hiện theo phương pháp điều khiển

cụ thể

- Bộ khuếch đại xung : tăng đủ công suất để đóng/mở van lực

1 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp 1 pha

Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển

Mạch điều khiển cho loại này chỉ gồm 1 khâu tạo dao động chữ nhật chođiện áp ra , sau đó qua khâu chia tần đảm bảo khoảng dẫn các van hoàn toànbằng nhau và trái pha nhau Trước khi được khuếch đại công suất cần phải tạotrễ mở để chống hiện tượng ngắn mạch hai van thẳng hang

Với chức năng như vậy mạch điều khiển loại này được thực hiện dễ dàngnhờ áp dụng kĩ thuật xung – số đơn giản , trong đó có khâu tạo dao động và bộchia tần sử dụng mạch trigơ ( Flip Flop) ở chế độ đếm nhị phân với tần số bộdao động gấp đôi tần số điện áp ra

a Khâu tạo dao động

• Sử dụng phương pháp tạo xung đơn dùng IC logic

• Đặc điểm:

- trong họ IC có loại chế tạo với cửa vào hoạt động theo ngưỡng gọi là kiểu trigơSchmitt, mạch đa hài đợi cần chính tính chất này Nguyên lý hoạt động thể hiệntrên đồ thị ở đây dùng cách cho tụ nạp chậm từ điện áp đầu vào qua điện trở R

để hình thành độ rộng xung, còn khi đầu vào bằng 0 thì tụ phóng nhanh quadiot Độ rộng xung quyết định bởi thời gian tụ nạp từ 0 đến giá trị ngưỡng lậttrạng thái của mạch logic L1 ( ngưỡng này bằng 2/3E), biểu thức tính toán gầnđúng là :

tx= 0,693RC 0,7RC (1)

Lưu ý :

• Muốn có sườn xung thật dốc nên sử dụng IC họ TTL ( 74TL14, 74TL24 ),lúc đó trị số điện trở R chỉ được phép trong khoảng (300500), sau khi chọn Rtính tụ C theo yêu cầu của tx

• Nếu không cần sườn thật dốc có thể sử dụng IC họ CMOS (74C93, CD4093 ),trường hợp này trị số R cho phép rất lớn và thay đổi trong khoảng rộng nênthường chọ trước tụ C khoảng trên dưới 10nF rồi theo tx tính giá trị R Loại nàythông dụng hơn trong công việc vì làm việc với điện áp nguồn cao (đến 15V)nên khả năng chống nhiễu tốt hơn

- Theo bài ra ta có t=0,02s

- Không cần dạng sườn thật dốc nên chọn C=9nF

Từ (1) ta có R= = 317.46 k

c.TIMER555

- Dùng Timer 555 để tạo dao động, do mạch này chỉ cho điện áp ra 1 dấunên để dễ ghép nối cần dùng khâu tạo răng cưa bằng transistor Ta cũng phảidùng thủ thuật tách hai thời gian phóng nạp tụ nhờ điôt , lúc đó:

- Khoảng thời gian phát xung >0 (1)

- Khoảng thời gian xung : =0 (2)

- Chu kỳ tạo dao động T= ; và tần số f=1/T

- Có thể coi phạm vi điều chỉnh ; và thường

- Để hiệu chỉnh tần số , thường gồm 1 biến trở nối tiếp điện trở

- Với E=245(V),f=50Hz thì chu kì làm việc của băm xung áp làT=1/50=0,02(s)

Tạo xung dao động có chu kì t=0,02 s như hình

Ở đây vẫn dùng tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở

R để đưa tới cổng vào logic L1 loại có ngưỡng ( trigơ Schmitt), thời gian trễ gầnbằng 0,7RC Khi điện áp vào bằng 0 tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ làkhông đáng kể Thực tế thời gian trễ nằm trong khoảng (1,310)s tùy loại van lực

và tần số làm việc của mạch

- Nguồn cung cấp cho mạch này cũng phải dùng bốn cụm cách ly nhaunhư sơ đồ điều khiển riêng

C Khâu khuếch đại xung :

* Yêu cầu điều khiển cho van MOSFET

- Đây là loại van điều khiển bằng điện áp không phải bằng dòng nhưBT:Khi dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương trên cực điều khiển (12V;Cònkhi khóa điện áp trên nó lại âm ( -5 -8)V Như vậy ở trạng thái ổn định, dù làkhóa hay dẫn nó chỉ cần điện áp mà không đòi hỏi có dòng điều khiển, tức làcông suất điều khiển ở trạng thái này là không đáng kể

- Tuy nhiên để van chuyển đổi trạng thái từ khóa sang dẫn và ngược lại từ dẫnsang khóa, buộc phải cấp dòng cho cực điều khiển của van Điều này do giữahai cực GS tồn tại một điện dung hay một tụ điện giữa hai cực này dẫn đến:+ Khi van đang ở trạng thái khóa điện áp điều khiển âm nên tụ điện nàyđang có giá trị âm.để mở van điện áp điều khiển buộc phải đổi dấu chuyển từu

âm sang dương bằng cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính trên tụđiện này

+ Điều tương tựu cũng xảy ra khi van chuyển từ dẫn sang khóa

+ để hạn chế dòng phóng nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển các điệntrở hạn chế R on R off Giá trị các điện trở này quyết định tốc độ chuyển trạngthái của van và buộc phải có để đảm bảo an toàn cho van nhà sản xuất thườngcho chỉ dẫn vầ giá trị điện trở này của từng loại chế tạo, tuy nhiên giá trị cụ thểcòn do chế độ hoạt động ảnh hưởng

- Do tính ưu việt của MOSFET nên nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vựcđiện tử công suất Cũng vì thế các hãng cũng chế tạo nhiều mạch điều khiển(Driver) cho van này

- Để tăng tốc độ truyền xung, trong Driver có thể xử dụng bóng MOSFET với cácvan lực công suất lớn đòi hỏi dòng điều khiển mạnh trong thời gian ngắn, vì vậycần thêm các tụ trữ năng lượng mắc sát cạnh Driver khi nguồn điều khiển khôngđược bố trí cạnh nó

- Các mạch Driver đơn giản thường chỉ làm nhiệm vụ truyền cách ly và khuếchđại công suất xung Tuy nhiên để van hoạt động an toàn trong mọi trường hợp,

kể cả các hiện tượng như quá tải hay ngắn mạch cần phải có thêm các khâu bảo

vệ cho bản thân van Để đáp ứng điều này công nghiệp cũng chế tạo các mạchDriver