Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

B,Phân loại - Nghịch lưu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới, trạng thái không tải là cho phép còn

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

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 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG MOSFET

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

II.1 VAN MẠCH LỰC

CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

I.1 VẤN ĐỀ CHUNG

I.1.1.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

A, Khái niệm

Nghịch lưu độc lập là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng dòng xoay chiều với tần số cố định hoặc thay đổi.

B,Phân loại

- Nghịch lưu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện

áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới, trạng thái không tải là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố.

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

- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng : có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một 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 nghịch lưu độc lập ba pha.

C, Các loại van bán dẫn thường dùng

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

- Nghịch lưu độc lập nguồn dòng: van bán điều khiển thyristor.

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 lớp điện 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 hạt mang 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 để chỉ 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 nhưng các 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 là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần 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 cực gốc 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)

Hình 2.4.Đặc tính tĩnh (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 MOSFET bằng 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.

Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể được tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai đoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng Theo đặc tính này dòng qua MOSFET 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 độ dẫn:

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

C Phương pháp mở khóa van

1 Nguyên tắc hoạt động

• 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 là không 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 UGS > 0V => đèn Q1 dẫn

=> bóng đèn D sáng.

• Khi công tắc K1 ngắt, điện áp tích trên tụ C1 (tụ gốm) vẫn duy trì cho đèn Q dẫn => chứng

tỏ không có dòng điện đi qua cực GS.

• Khi công tắc K2 đóng, điện áp tích trên tụ C1 giảm bằng 0 => UGS= 0V => đèn tắt

• => Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS như trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trở RDS giảm xuống

D Các thông số cơ bản của van MOSFET

Thứ

tự Thông số Tên tham số Kí hiệu Chế độ đo

1 Điện áp Điện áp đánh thủngDS U(BR)DSS

Điện áp đánh thủng GS U(BR)DGR Khi ngắn mạch DS Điện áp tối đa cho phép

giữa các cưc DS UDS Khi có điện trở nối giữa hai cực G và S

2 Dòng điện Dòng cực máng tối đa

cho phép iD ở nhiệt độ quy định của vỏ Dòng cực máng dạng

xung tối đa cho phép iDM Với độ rộng xung quy định

3 Điều khiển Điện áp GS cực đại cho

Điện áp GS ngưỡng UGS(th) Khi UDS>0

4 Khuếch đại Độ hỗ dẫn gFS Theo chế độ quy định

Điện trở DS khi dẫn RDS(on)

5 Công suất Công suất phát nhiệt tối

đa PD Với nhiệt độ vỏ quy định Tổn thất năng lượng khi

mở

EON

Tổn thất năng lượng khi khóa

EOFF

6 Chế độ động Thời gian trễ khi mở tD(ON)

Theo chế độ quy định

Thời gian trễ khi khoá tD(OFF) Thời gian tăng dòng cực

Thời gian giảm dòng cực

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

7 Nhiệt Nhiệt trở xác lập ở giữa

quá độ “np-vỏ” RThj.C Có tản nhiệt chuẩn Nhiệt trở xác lập quá độ

“np-môi trường” RThj.A Không có tản nhiệt Nhiệt trở xác lập “vỏ-tản

Nhiệt trở quá độ giữa quá độ “np-vỏ” ZThj.C Với xung dòng có thời gian quy định Nhiệt trở tối đa cho phép

ở quá độ “pn” TJ(max) Cả nhiệt độ âm và dương

E Một số hình ảnh thực tế của van:

I.1.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG MOSFET

Sơ đồ mạch cầu mosfet

A, Nguyên lí

Các van được chia thành hai nhóm , Tr1,Tr2 và Tr3, Tr4, cùng hoạt động ở mọi 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 phải khóa nhóm kia và ngược lại Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha là trường hợp đặc biệt của băm xung áp 1 chiều 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 mở song do dòng vẫn phải chảy theo chiều cũ (do tải có điện cảm) nên dòng không thể đi ngược qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chảy qua cac điot đấu song 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 tán hết thì dòng không thể về đến không , do đó chỉ có D3, D4 dẫn toàn bộ khoảng 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 trước thời 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 thời điểm T , Tr1, Tr2 mở trở lại , dòng đang âm nên không thể đảo chiều được ngay, buộc phải chảy qua diot D1, D2, chỉ đến khi năng lượng trên điện cảm hết thì dòng mới đảo về giá trị dương.

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

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)

+u(t+T/2)

• 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 :

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

II.1 VAN MẠCH LỰC

Thông số đề bài :

Điện áp đầu ra Ura=220V

Tần số ra f=50Hz

Dòng điện ra Ira=20A

Chọn Rt =1

Trị số nguồn một chiều:

Ta có:

Để có trị số hiệu dụng 220V đầu ra cần nguồn 1 chiều :

Chọn

Chọn

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

⇒ I v > 1,2 6,3

⇒ I v > 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

Chọn kUv = 2

⇒ Uv > 2 245

⇒ Uv > 490 (V)

Từ các chỉ tiêu đã tính toán trên ta chọn 4 van mosfet đấu sẵn sơ đồ cầu có kí hiệu

IRF840

Với các thông số:

IRF840

I D max (A) R DS max (Ω) P D

max (W) U max DS (V) U STH max (V) I DS max (μA) I GS max (ηA) t r max (ηs) t f max (ηs) g min f (S)

• Tính toán chọn tụ một chiều đầu vào :

Trong thực tế năng lượng 1 chiều không được lấy trực tiếp từ nguồn 1 chiều

(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, có nhiệm 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 đảo chiều lại, trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép của điện áp một chiều :

Vậy chọn tụ có trị số C=

- Thông số mạch lọc đầu ra :

- Bậc sóng hài thấp nhất q= 3

 Hệ số ℇ

 Công suất lọc

Công suất tải theo sóng hài cơ bản :

Theo tính toán ta có

 Mắt lọc song song L2 C2 :

 Mắt lọc nối tiếp L1 C1 :

Dòng qua mắt coi như bằng dòng qua tải :

- Phần tử bảo vệ

• Bảo vệ bằng cầu chì

Mạch điện được tính toán với dòng tối đa bên sơ cấp , để tránh tình trạng quá tải hay ngắn mạch gây sự cố phá hỏng thiết bị ta chọn thiết bị cầu chì là cắt nhanh với dòng xác định

• Chọn làm mát bằng cánh tản nhiệt không khí

• Bảo vệ quá dòng:

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.

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.

2. Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp 1 pha

Mạch điều khiển cho loại này chỉ gồm 1 khâu tạo dao động chữ nhật cho điện áp ra , sau đó qua khâu chia tần đảm bảo khoảng dẫn các van hoàn toàn bằng nhau và trái pha nhau Trước khi được khuếch đại công suất cần phải tạo trễ 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 dàng nhờ áp dụng kĩ thuật xung – số đơn giản , trong đó có khâu tạo dao động

và bộ chia tần sử dụng mạch trigơ ( Flip Flop) ở chế độ đếm nhị phân với tần số bộ dao 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 trigơ Schmitt, mạch đa hài đợi cần chính tính chất này Nguyên lý hoạt động thể hiện trên 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 qua diot Độ rộng xung quyết định bởi thời gian tụ nạp từ 0 đến giá trị ngưỡng lật trạng thái của mạch logic L1 ( ngưỡng này bằng 2/3E), biểu thức tính toán gần đúng 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 R tính 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 nên thường chọ trước tụ C khoảng trên dưới 10nF rồi theo tx tính giá trị R Loại này thông dụng hơn trong công việc vì làm việc với điện áp nguồn cao (đến 15V) nên khả năng chống nhiễu tốt hơn.

- Chọn tx=1ms

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

Từ (1) ta có tx= = 158,7 k

b Khâu tạo trễ mở

• Dùng phương pháp điều khiển đối xứng.

• Đặc điểm:

- Mạch không có khâu xác định chiều dòng vì quy luật điều khiển là chung cho cả hai chiều dòng điện tải.

- Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông giữa hai van thẳng hàng khi chúng chuyển đổi trạng thái, được thực hiện nhờ hai phần tử logic L1, L2 với nhóm R14C3D7 và R15C4D8 Đồ thị minh họa hoạt động mạch này:

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 gần bằng 0,7RC Khi điện áp vào bằng 0 tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ là không 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 nhau như sơ đồ điều khiển riêng

c.TIMER 555

- Dùng Timer 555 để tạo dao động, do mạch

này chỉ cho điện áp ra 1 dấu nên để dễ ghép nối

cần dùng khâu tạo răng cưa bằng transistor Ta

cũng phải dùng 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 là T=1/50=0,02(s)

- Chọn

- Do đó sự phân bố 2 khoảng thời gian là :

- Chọn tụ C=33nF, từ những biểu thức (1) và (2) suy ra :

- 86,5kΩ