Thiết kế hệ thống nghịch lưu 12VDC lên 220VAC tần số 50hz

Thiết kế hệ thống nghịch lưu 12VDC lên 220VAC tần số 50hz

PHẦN A: GIỚI THIỆU

PHẦN A : GIỚI THIỆU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, cuộc sống của conngười ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại hơn.Điều đó đem lại cho chúng ta nhiềugiải pháp tốt hơn, đa dạng hơn trong việc xử lý những vấn đề tưởng chừng như rấtphức tạp gặp phải trong cuộc sống việc ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuậthiện đại trong tất cả các lĩnh vực đã và đang phát triển phổ biến trên thế giới, thay thếdần những phương pháp thủ công, lạc hậu và ngày càng được cải tiến hiện đại và hoàn

mỹ hơn

Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ biếnđổi điện áp DC/DC, DC/AC Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng trong cáclĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm năng lượng…Đây cũng chính

là đề tài của đồ án môn học này

Và trong học kỳ này nhóm đã chon đề tài “Thiết kế hệ thống nghịch lưu 12VDClên 220VAC tần số 50Hz” làm đề tài cho đồ án môn học này

Trong thời gian ngắn thực hiện đề tài cộng với kiến thức còn nhiều hạn chế, nêntrong tập đồ án này không tránh khỏi thiếu sót Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được

ý kiến đóng góp của Thầy Cô và các bạn sinh viên để đò án có thể hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 3

TP.Hồ Chí Minh…ngày…tháng 12…năm 2014

PHẦN A : GIỚI THIỆU 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

Danh Mục Hình Ảnh 5

PHẦN B : NỘI DUNG 6

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU LINH KIỆN 7

I IC 555 7

1 Thông số 7

2 Chức năng của 555 7

II IRF Z44N 8

III BIẾN ÁP CẤP NGUỒN 8

IV TRANSISTOR 2SC945 8

V ĐIỆN TRỞ 8

VI TỤ ĐIỆN 9

1 Tụ điện phân cực 9

2 Tụ điện không phân cực 9

3 Tụ điện có trị số biến đổi 10

VII ẮC QUY 10

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU 11

I NGHỊCH LƯU DÒNG 11

1 Nghịch lưu dòng 1 pha 11

a) Nguyên lý làm việc 11

b) Ảnh hưởng của phụ tải đối với chế độ làm việc của nghịch lưu 12

2 Nghịch lưu dòng 3 pha 13

II NGHỊCH LƯU ÁP 14

1 Nghịch lưu áp 1 pha 14

2 Nghịch lưu áp 3 pha 15

III NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG 17

1 Nghịch lưu cộng hưởng song song 17

2 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp 17

IV NGHỊCH LƯU ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỌNG XUNG PWM (Pulse Width Modulation) 18

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 20

I SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU 12V DC TO 220V AC 20

II LỰA CHỌN BỘ NGHỊCH LƯU 20

III SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH NGỊCH LƯU 12V DC To 220V AC 50Hz 21

1 Mạch dao động 21

2 Mạch động lực 22

3 Tính toán mạch động lực 22

a Tính toán Van động lực 23

b Transistor 2SC549 23

4 Tính toán biến áp 24

PHẦN C : TỔNG KẾT 26

TỔNG KẾT 27

I CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ ĐƯỢC GIẢI QUYẾT TRONG ĐỒ ÁN 27

III Tài liệu tham khảo: 29

Hình 1 : IC NE555 7

Hình 2 : Hình Ảnh Và Cấu Tạo IRFZ44N 8

Hình 3 : Máy Biến Áp 8

Hình 4 : Transistor 2SC 495 8

Hình 5 : Ký Hiệu Điện Trở 8

Hình 6 : Tụ Điện 9

Hình 7 : Ký Hiệu Các Loại Tụ Điện 9

Hình 8 : Ắc Quy Và Cấu Tạo Ắc Quy 10

Hình 9 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Cầu 1 Pha 11

Hình 10 : Sơ Đồ Nghịch Lưu 1 Pha Có Điểm Trung Tính 11

Hình 11 : Giản Đồ Xung Của Nghịch Lưu Cầu 1 Pha 12

Hình 12: Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng 1 pha 12

Hình 13 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Dòng 3 Pha 13

Hình 14 : Giản Đồ Xung Nghịch Lưu Dòng 3 Pha 13

Hình 15 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Áp Cầu 1 Pha 14

Hình 16 : Đồ Thị Nghịch Lưu Áp 1 Pha 14

Hình 17 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Áp 3 Pha 15

Hình 18 : Luật Điều Khiển Các Tiristo 15

Hình 19 : Điện Áp Trên Tải Mạch Nghịch Lưu 16

Hình 20 : a) Nghịch Lưu Cộng hưởng Song Song _ b) Giản Đồ Xung 17

Hình 21 : Mạch Nghịch Lưu Cộng Hưởng Nối Tiếp Và Sơ Đồ Thay Thế 17

Hình 22 : Sơ Đồ Khối Điều Khiển Các Van Của PWM 18

Hình 23 : Điện Áp Ra Điều khiển Bởi Xung Đơn Cực 18

Hình 24 : Điện Áp Ra Trên Bộ Nghịch Lưu Điều Khiển Bởi Xung Lưỡng Cực 19

Hình 25 : Sơ Đồ Khối Hệ Thống Nghịch Lưu 12V DC To 220V AC 20

Hình 26 : Sơ Đồ Nguyên Lý Toàn Hệ Thống 21

Hình 27 : Mạch Dao Động 22

Hình 28 : Sơ Đồ Nguyên Lý Mạch Nâng Điện Áp 22

Hình 29 : Hình Dạng Và Cấu Tạo IRFZ44N 23

Hình 30 : Hình Dạng Và Cấu Tạo Transistor NPN 2SC549 24

Hình 31 : Cấu Tạo Biến Áp 25

Hình 32 : Dạng Sóng Ngõ Ra Của Bộ Tạo Dao Động F = 50Hz 28

Hình 33: Dạng Sóng Ngõ Ra Tại 220V AC 28

Hình 34 : Mạch Thực Tế 28

PHẦN B : NỘI DUNG

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LINH KIỆN

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU LINH KIỆN

I IC 555

1 Thông số

Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 :

LM555, NE555, NE7555 )

Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

Công suất tiêu thụ (max) 600mW

2 Chức năng của 555

Tạo xung

Điều chế được độ rộng xung (PWM) Hình 1 : IC NE555

Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

 Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

 Chân số 2(TRIGGER): được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp

 Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tươngứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35

->0.75V)

 Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6

 Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND

 Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

 Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra

 Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

 Chân số 8 (Vcc): Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555.thấp nhất là con NE7555)

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LINH KIỆN

II IRF Z44N

Hình 2 : Hình Ảnh Và Cấu Tạo IRFZ44N

III BIẾN ÁP CẤP NGUỒN

Nguồn vào : 12Vdc lấy từ Acquy / 5Ah

Điện trở là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện

Điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của Điện

U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).

I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).

R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).).

VI TỤ ĐIỆN

Một số hình ảnh thực tế và ký hiệu của tụ điện

Là một linh kiện điện tử thụ động tạo

bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách

bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại

hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện

tích cùng cường độ, nhưng trái dấu

khả năng tích trữ năng lượng điện

trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạchđiện xoay chiều

Các loại tụ điện: Hình 7 : Ký

Hiệu Các Loại Tụ Điện

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LINH KIỆN

1 Tụ điện phân cực

Tụ điện phân cực (có cực xác định) hoặc theo cấu tạo còn gọi là tụ hóa Thường trên tụquy ước cực âm phân biệt bằng một vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương Trị

số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số F - 4.700μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số F, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn

2 Tụ điện không phân cực

Tụ điện không phân cực (không xác định cực dương âm); theo cấu tạo có thể là

tụ giấy, tụ gốm, hoặc tụ mica Tụ xoay chiều thường có trị số điện dung nhỏ hơn 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số F và thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu

3 Tụ điện có trị số biến đổi

Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thayđổi giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thay đổi tần

số cộng hưởng khi ta dò đài (kênh tần số)

bằng cách cắm điện và đặt vào bộ sạc để sạc lại

Hình 8 : Ắc Quy Và Cấu Tạo Ắc Quy

Ắc quy chì - a xít

Gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch axít sulfuaric Các bảncực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon,

có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khi được nạp đầy là điôxít

chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm

Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy

và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc - Quy Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn

Chất lỏng dùng trong bình ắc quy này là dung dịch xít sunfuaric Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

Nghịch lưu đôc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điệnxoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập

Nguồn điện một chiều thong thường là các điện áp chỉnh lưu, ăc quy và cácnguồn điện một chiều độc lập khác

Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ như nghịch lưu 1 pha hay 3 phahoặc cũng có thể phân theo quá trình điện từ xẩy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu

áp, nghịc lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng…

I NGHỊCH LƯU DÒNG

1 Nghịch lưu dòng 1 pha

Là thiết bị dung biến đổi nguồn dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ýĐặc điểm cơ bản của loại này là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải lànguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn để dòng điện là lien tục

Hình 10 : Sơ Đồ Nghịch Lưu 1 Pha Có Điểm Trung Tính

Điện áp đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld=∞ do đó dòng điện vào được san phẳng,nguồn cấp là nguồn dòng và có dạng xung vuông

Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ là cho T1 và T2bị khóa lại

Hình 11 : Giản Đồ Xung Của Nghịch Lưu Cầu 1 Pha

b) Ảnh hưởng của phụ tải đối với chế độ làm việc của nghịch lưu

Xét trường hợp Ld=∞ (điện cảm vô cùng lớn) Sơ đồ trên hình 1.2 có thể thay thế bằng

sơ đồ hình 1.4

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

Hình 12: Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng 1 pha

Nghịch lưu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải, vì nếu Rt -> ∞ thì Ut->∞ và id-> ∞

Trên thực tế Rt lớn vô cùng thì điện áp trên tải cũng tiến đến giá trị rất lớn,do

đó quá trình chuyển mạch không thể thực hiện đươc, cũng như không co thiết bị bándẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn như vậy

Ngược lại khi tang phụ tải nghĩa là tương đương với việc giảm Rt, lúc này dòngnạp cho tụ sẽ giảm ngược lại dòng phóng qua tải sẽ tang Điều đó dẫn đến giảm nănglượng tích trữ trong tụ, điện áp trên tải gần với hình chữ nhật, góc β cũng giảm đáng kể

và ảnh hưởng tới quá trình chuyển mạch của nghịch lưu

2 Nghịch lưu dòng 3 pha

Tong thực tế nghịch lưu dòng 3 pha được sử dụng phổ biến ví công suất của nólướn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp

Cũng giống như nghịch lưu dòng 1 pha thì nghịch lưu dòng 3 pha cũng sử dụng tiristor

Để khóa các tiristo thì phải cso các tụ chuyển mạch C1, C3, C5

Vì là nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn đòn, vì vậy giá trị Ld=∞

Hình 13 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Dòng 3 Pha

Hình 14 : Giản Đồ Xung Nghịch Lưu Dòng 3 Pha

Đảm bảo kháo được các tiristo chắc chắn và tạo ra dòng 3 pha đối xứng Qua đồ thịtrên mỗi van động lưucj chỉ dẫn trong khoảng thời gian ʎ = 1200

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

Trước kai nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các vanđộng lưucj điều khiền nhỏ, Hơn nữa sơ đồ điều khiển phức tạp

Ngày nay công suất các van động lực IGBT,GTO,MOSFET càng trở nên lớn và

có kích trước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biển đổi thong dụng và đượcchuẩn hóa trong các bộ biển đổi trong công nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện lýtưởng, tức là thời gian dongd và mởi bang không nên điện trở nguồn bằng không

1 Nghịch lưu áp 1 pha

 Cấu tạo

Sơ đồ nghịch lưu áp 1 pha được mô tả trên hình 1.9 sơ đồ gồm 4 van độnglưucj là T1, T2,T3, T4 và các diode D1, D2, D3, D4 dùng trả công suất phảnkháng và tránh hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C mắc song song với nguồn và tiếp nhận công xuất phản khangd của tảiđồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp

Hình 15 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Áp Cầu 1 Pha

Các diode D1,D2,D3,D4,D5,D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ C đảmbảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.

Hình 17 : Sơ Đồ Nghịch Lưu Áp 3 Pha

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

Hình 18 : Luật Điều Khiển Các Tiristo

Để đảm bảo tạo ra điện áp 3 pha đỗi xứng luật dẫn điện các van phải tuân theo như đồ thị (hình 1.12)

Như vậy T1,T4 dẫn điện lệch nhau 1800 để tạo ra 3 pha B T5,T2 dẫn lệch nhau 1800

để tạo rap ha C, và các pha lệch nhau 1200

Hình 19 : Điện Áp Trên Tải Mạch Nghịch Lưu

CHƯƠNG II: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU

III NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG.

Đặc diểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyển mạch của vandựa vào hiện tượng cộng hưởng Giá trị điện cáp không lướn như nghịch lưu dòng(Ld=∞), mà chiếm một vị trid trung gian sao cho khi kết hợp với điện cảm tải Lt và tụđiện C thì trong amchj sẽ xuất hiện hiện tươgj dao động điện

1 Nghịch lưu cộng hưởng song song

Xét sơ đồ hình 1.14, khi t=0 cặp van T1,T2 được mở ra, Tụ C được nạp , dòng nạp cho

tụ có dạng hình sin vì mạch dao động cộng hưởng

Hình 20 : a) Nghịch Lưu Cộng hưởng Song Song _ b) Giản Đồ Xung

2 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp.

Sơ đồ gồm 2 cuộn cảm L1 và L2 được quấn trên cùng một lõi thép để tạo ra hiệntượng cảm ứng, tụ C được mắc nối tiếp với tải

Các giá trị của L1, L2, C và Rt được chọn sao cho dòng qua Tiristo là dòng dao động.Nghịch lưu nối tiếp có ba chế độ làm việc:

Chế độ khóa tự nhiên: f0> f; dòng qua T1 giảm về không sau một khaongr thờigian mỏ T2, chế độ này tương tự chế độ làm việc của nghịch lưu song song.Chế độ giới hạn: f0 = f; dòng qua T1 giảm về không thì T2 được mở vì vậy chế

độ này đảm bảo dòng tải It và điện áp tải Ut là hình Sin

Chế độ chuyển mạch cưởng bức: f0 < f khi T1 còn chưa kháo đã kích mở xung cho T2

Hình 21 : Mạch Nghịch Lưu Cộng Hưởng Nối Tiếp Và Sơ Đồ Thay Thế

IV NGHỊCH LƯU ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỌNG XUNG PWM(Pulse Width

Modulation).

Các bộ nghịch lưu đã trình bày ở trên có điện áp ra chứa nhiều sóng hài, Để nâng caochất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xungPWM được đưa ra nghiên cứu và ứng dụng

Tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng bộ nghịch lưu là mức độ gàn Sin chuẩn củađiện áp đầu ra.Trong tất cả các bộ nghịch lưu thid bộ nghịch lưu điều biến độ rộngxung được đánh giá là bộ nghịch lưu cho phép đưa ra dạng song gần Sin nhất

Trên hình 1.17 biểu diễn sơ đồ khối điều khiển các tiristo của PWM Từ đó cho ta thấy: hai tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiếu song mang Ux đưa vào bộ so sánh Khi hai điện

áp này bang nhau sẽ cho một xung, qua bộ chia xung ta đưa tới để điều khiển cáctiristo tương ứng

Hình 22 : Sơ Đồ Khối Điều Khiển Các Van Của PWM