thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu sử dụng IGBT

Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốtnóng bằng cảm ứng, trong thi

Nhận xét của giáo viên

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, ngày19 tháng 6 năm 2010

Giáo viên hướng dẫn:

Đào Văn Đã

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất , cácthiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụngnhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của

xã hội Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp,các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốtnóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần giántiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế nhưtrong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện

tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại

Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực

tế, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: “thiết kế, chế tạo bộ nghịch

lưu sử dụng IGBT” Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của

mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tínhtoán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo

nhiệt tình của thầy Đào Văn Đã cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên

trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình Tuy nhiên do thời gian

và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này.Vìvậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy côgiáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, ngày 19 tháng 6 năm 2010

Nhóm sinh viên thực hiện : Đặng Tùng Lam

Hứa Văn Lâm

Đinh Thị Liên

MỤC LỤC

PHẦN I: YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Phân tích yêu cầu của đề tài

1.2 Mục tiêu của đề tài

1.3 Các phương án thực hiện

1.4 Ý nghĩa của đề tài

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Tổng quan nghịch lưu

1 Đặc điểm của bộ nghịch lưu độc lập

2 Phân loại bộ nghịch lưu độc lập

3 Ứng dụng

II Mạch nghịch lưu một pha 1. Bộ nghịch lưu một pha

Nnghịch lưu nguồn dòng 1 pha

Mmạch nghịch lưu dùng máy biến áp điểm giữa

Tải có tính chất dung kháng

Tải có tính chất điện cảm

Mmạch nghịch lưu nửa cầu 1 pha

TTải có tính chất dung kháng

Tải có tính chất điện cảm

Mmạch nghịch lưu cầu 1 pha

TTải có tính chất dung kháng

Tải có tính chất điện cảm

Nnghịch lưu nguồn áp 1 pha

Mmạch nghịch lưu dùng máy biến áp điểm giữa

TTải có tính chất dung kháng

Tải có tính chất điện cảm

1.2.2 Mạch nghịch lưu nửa cầu 1 pha

1.2.2.1 Tải có tính chất dung kháng

1.2.2.2 Tải có tính chất điện cảm

1.2.3 Mạch nghịch lưu cầu 1 pha

1.2.3.1 Tải có tính chất dung kháng

1.2.3.2 Tải có tính chất điện cảm III Giới thiệu về các van bán dẫn công suất thực tế thường dùng và các linh kiện chính dùng trong mạch sản phẩm. 1.1 Điốt công suất………

1.2 Tiristor công suất……….

1.3 Triắc………

1.4 Transistor công suất………

1.4.1 Transistor lưỡng cực ( BJT )………

1.4.2 Transistor MOS công suất ( MOSFET )………

1.4.3 H1061 và 2N3055………

IV Giới thiệu về IC IC CD4047B PHẦN III:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH SẢN PHẨM

I. Tính toán và thiết kế mạch động lực

TíTinh toán máy biến áp

LLựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch

II. Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

Kết luận

Tài liệu tham khảo

PHẦN I : YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Phân tích yêu cầu của đề tài.

Đề tài :

“ Thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu sử dụng IGBT”

Với yêu cầu của đề tài khi đó chúng ta phải đi thiết kế một bộ nghịch lưu cho

ra điện áp xoay chiều là 220V từ nguồn điện một chiều, tần số trong mạch đođược là 50Hz

Mạch lấy nguồn một chiều từ ác quy 12V cấp trực tiếp cho mạch và cho biến

áp Biến áp ở đây sử dụng như một bộ kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị caohơn nhiều lần so với giá trị áp ban đầu Chính vì mạch có khả năng biến đổinguồn một chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực rất lớntrong thực tế

Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phần lớn là linh kiệncông suất Mạch sử dụng các van bán dẫn công suất như Transistor, MOSFET,IGBT…Trong quá trình chạy mạch thì xung tạo ra là xung vuông và đượckhuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor, IGBT…

Xung tạo ra nhờ sử dụng mạch tạo xung điều khiển sử dụng IC tạo xungvuông là IC CD4047B Ở đây mạch phải được chế tạo một cách tối ưu có nghĩa làkhông sử dụng những mạch nghịch lưu kồng kềnh hoặc quá giản đơn mà kết quảthu được phải là một giá trị điện áp tương đương 220V và một tần số ổn định50Hz

1.2 Mục tiêu của đề tài.

Nắm được một cách tổng quan về các phần tử bán dẫn công suất

Nghiên cứu về các mạch nghịch lưu, hiểu được nguyên lý làm việc của mạchnghịch lưu, các phương pháp biến đổi từ đó lựa chọn một phương án tối ưu nhất

để có áp dụng trên đồ án của mình và ngoài thực tiễn

Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu điện áp một phavới công suất cho trước

1.3 Các phương án thực hiện.

Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T và T đểkhuyếch đại tín hiệu,dùng cuộn dây cảm ứng từ để tạo xung vuông điều khiển cặpTransistor T1, T2 như hình vẽ:

Dùng các cổng logic : Có thể dùng các cổng logic như các cổng NAND, NOR,cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400.

Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC 4047B, lànhững IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC khuyếch đại thuật toán

Hoặc ta có thể dùng mạch có IC là phần tử tạo xung vuông điều khiển phần tửđóng ngắt là IGBT.

Nhìn chung nguyên lí của các mạch trên là gần giống nhau, đều tạo xung để điềukhiển các phần tử đóng ngắt, khuếch đại và chỉ khác nhau ở cách dùng phần tử đểtạo xung điều khiển, các phần tử đóng ngắt Trong các mạch trên thì mạch dùng

IC 4047 để tạo xung điều khiển và dùng 2 cặp Transitor là H1061, 2N3055 làmphần tử đóng ngắt vì nó có ưu điểm là đơn giản, ít linh kiện, đều là những linhkiện cơ bản, dễ mua, dễ dùng, hiệu suất cao, ổn định Chính vì tính khả thi của nó

mà chúng ta sẽ chọn mạch này để thực hiện Sở dĩ những mạch còn lại khôngđược chọn là vì chúng phức tạp, ít khả thi hơn Xét với mạch dùng cuộn dây cảmứng từ là phần tử tạo xung để điều khiển hai Transitor, vì mạch dùng cuộn dâycảm ứng từ làm phần tử tạo xung nên chế độ làm việc không ổn định, biến áp vàcuộn dây khó tính toán và khó quấn Đối với mạch dùng IC4047 làm phần tử tạoxung để điều khiển phần tử đóng ngắt là IGBT thì mạch rất phức tạp bao gồm cáckhâu: so sánh, tạo trễ, cách li……

1.4 Ý nghĩa của đề tài.

Để giúp sinh viên có thể có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiếnthức chuyên nghành cũng như kiến thức ngoài thực tế Đề tài còn thiết kế chế tạothiết bị, mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện –Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các học sinh, sinh viênkhoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập

Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúpchúng em có thể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổiđiện áp Từ đó sẽ tích luỹ được kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thực tế

PHẦN II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

I TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều.Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nốiđầu vào và đầu ra một cách chu kì để tạo nên đầu ra xoay chiều Khác với bộ biếntần việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới điện xoay chiều, còn trong bộnghịch lưu hoặc trong bộ điều áp một chiều hoạt động của chúng phụ thuộc vàoloại nguồn và tải

Các bộ nghịch lưu phân ra làm 2 loại :

- Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều

- Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập(với các nguồn độc lập như acquy,máy phát điện…)

Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển.Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều đượcđổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở của các tiristo thỏa mãn điều kiện ((/2 < 

< ) lúc đó công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều Tần số

và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều

Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độclập ( không phụ thuộc vào lưới xoay chiều ) thành xoay chiều với tần số pha tùy ý.Tần số và điện áp nghịch lưu nói chung có thể điều chỉnh được

1 Đặc điểm của bộ nghịch lưu độc lập

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành dòng xoaychiều với tải độc lập không phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều

Ở nghịch lưu độc lập nguồn dòng ở đầu vào phải có điện cảm Ld và tụ đảo mạchđược nạp theo theo luật không chu kì Dòng đầu vào Id phải liên tục không nhấpnhô nghĩa là nguồn cung cấp ở thiết bị này là nguồn dòng

Nghịch lưu độc lập nguồn áp nguồn cung cấp phải là nguồn áp Trong trườnghợp này tụ được mắc song song với điện áp đầu vào

2 Phân loại nghịch lưu độc lập

3 Ứng dụng

- Lĩnh vực áp dụng chủ yếu của nghịch lưu độc lập dòng và áp là biến đổi tần sốcùng cấp điện xoay chiều cho các thiết bị xoay chiều và phục vụ cho các truyềnđộng điện có điều chỉnh tần số

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH NGHỊCH LƯU

MỘT PHA

1 Bộ nghịch lưu một pha

1.1 Nghịch lưu nguồn dòng một pha

1.1.1 Mạch nghịch lưu độc lập nguồn dòng một pha có máy biến áp điểm giữa

Giả thiết máy biến áp lý tưởng, bỏ qua sức từ động từ hóa Ta có:

u1 = u2 = (n1/2n2)ut

+ Đóng T1: it = (n1/2n2)i, trong khoảng thời gian t = 0 đến T/2 ( với T = 2π/ω)+ Đóng T2: it = (n1/2n2)i, trong khoảng thời gian t = T/2 đến t = T (với T =2π/ω)

ut =Usin(ωt+φt)

1.1.1.1 Tải có tính chất dung kháng

- Vì tải có tính chất dung kháng, nên dòng điện tải sớm pha hơn so với điện áp tải một góc.Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

1.1.1.2 Tải có tính chất điện cảm

Vì tải có tính chất dung kháng, nên dòng điện tải trễ pha hơn so với điện áp tải mộtgóc Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

1.1.2 Mạch nghịch lưu nửa cầu 1 pha: (Bộ nghịch lưu dòng phân áp điện cảm )

cho trên hình vẽ:

Dòng điện vào được chia làm 2 thành phần: iL1, iL2, L1 = L2 = L, iL1+iL2 = iv

+Khi T1 dẫn: iT1 = iv, it = iL1= iv - iL2

1.1.2.2 Tải có tính chất điện cảm

- Vì tải có tính chất điện cảm, nên dòng điện tải trễ pha hơn so với điện áp tải một góc Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

1.1.3 Mạch nghịch lưu cầu 1 pha

1.1.3.1 Tải có tính chất dung kháng

- Vì tải có tính chất dung kháng, nên dòng điện tải sớm pha hơn so với điện áp tải một góc Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

*Xác định miền dẫn của các van:

+Tại t=0 :it > 0, ut < 0 Van T1, T2 thông

+Tại t= :it > 0, ut > 0 Van T1, T2 thông

+ Tại t= :it < 0, ut > 0 Van T3, T4 thông

+ Tại t= :it < 0, ut < 0 Van T3, T4 thông

*Xác định thời điểm chuyển mạch giữa các van:

+Tại cần sự chuyển mạch từ T1

+Tại cần sự chuyển mạch từ T3

*Xét sự chuyển mạch dòng điện giữa các van:

+Tại cần sự chuyển mạch từ T1

Trước một khoảnh khắc nhỏ: khi T1, T2 đang thông dẫn dòng điện tải, ta thấy

ut > 0, có nghĩa là (+) đặt tại A và (-) đặt tại B

Như vậy:ut thông qua T1 đặt thuận trực tiếp lên T3 và ut thông qua T2 đặt thuậntrực tiếp lên T4 Do đó :

Tại t= đi phát xung điều khiển vào T4, T3 thì lập tức 2 van này thông Khi T4

và T3 thông, dẫn tới (+) đặt vào katot T1, T2, cực (-) đặt vào anot T2, T1 làmcho:UT1 = UT2 = Ut < 0 Do đó 2 van T1, T2 khóa, kết thúc quá trình chuyển mạch.Như vậy quá trình chuyển mạch là sự chuyển mạch tự nhiên

T1,T2,T3,T4 có thể chọn tiristor thường, xung điều khiển các van này là xung đơn

Uthuận max van=

Điện áp trung bình trên tải:

1.1.3.2 Tải có tính chất cảm kháng

Vì tải có tính chất cảm kháng, nên dòng điện tải trễ pha hơn so với điện áp tải một góc Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

+Tại t=0 :it > 0 ,ut > 0 Van T1, T2 thông

+Tại t= :it > 0, ut < 0 Van T1, T2 thông

+ Tại t= :it < 0, ut < 0 Van T3, T4 thông

+ Tại t= :it < 0, ut > 0 Van T3, T4 thông

*Xét sự chuyển mạch của các van

+Tại cần sự chuyển mạch từ T1

Trước một khoảnh khắc nhỏ: khi T1, T2 đang thông dẫn dòng điện tải, ta thấy

ut < 0, có nghĩa là (+) đặt tại B và (-) đặt tại A T1, T2 đang thông nên sẽ đặt điện

áp ngược ut lên van T4, T3 nên uT3 = uT4 = ut < 0 Vì vậy nếu tại thời điểm này màphát xung điều khiển vào T3, T4 thì 2 van này chưa thông được Theo yêu cầucủa mạch bắt buộc phải đảo chiều dòng ở phải khóa cưỡng bức T1, T2 sau đóphát xung điều khiển vào T3, T4 thì 2 van này thông và thực hiện đảo chiều dòng

từ (+) sang (-) Như vậy quá trình chuyển mạch ở đây là chuyển mạch cưỡngbức.Khi đó T1, T2,T3, T4 phải là các van điều khiển hoàn toàn

Uthuận max van=

Điện áp trung bình đầu vào nghịch lưu:

1.2 Nghịch lưu nguồn áp một pha

1.2.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha có máy biến áp điểm giữa

*.Sơ đồ nguyên lý:

Giả thiết máy biến áp lý tưởng, điện áp các dây quấn tỉ lệ với số vòng dây, ta có: +0 < t < T/2: T1 dẫn, T2 khóa:

u1 = u , ut = u

uT1 = 0; iT1 = it, i = iT1

uT2 = u2 + u1 = 2u, iT2=0

1.2.1.2 Tải có tính chất cảm kháng

2 Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp nửa cầu 1pha :

*.Sơ đồ nguyên lý:

* Sơ đồ các linh kiện bán dẫn:

Khi K1 đóng u = u = +

Khi K2 , u = - u = -

1.2.2.2 Tải có tính chất điện cảm

- Vì tải có tính chất điện cảm, nên dòng điện tải trễ pha hơn so với điện áp tải một góc Ta có đồ thị dòng điện và điện áp như hình vẽ:

1.2.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu một pha

*Miền dẫn của các van:

+Từ 0 có: it > 0, ut > 0, để có được điều này thì van T1 và T2 thông

+Từ :có it < 0, ut > 0, van D1 và van D2 thông

+Từ : có ut < 0, it < 0, van T3 và T4 thông

+Từ : có it > 0, ut < 0, van D3 và D4 thông

*Xác định thời điểm chuyển mạch giữa các van

+Tại thời điểm : có sự chuyển mạch giữa các van: T1

+Tại thời điểm : có sự chuyển mạch giữa các van:

+Tại thời điểm : có sự chuyển mạch giữa các van:

+Tại thời điểm t 2: có sự chuyển mạch:

*Xét sự chuyển mạch dòng điện giữa các van:

+Xét tại thời điểm : cần có sự chuyển mạch từ: Cần khoá D1,D2, mở van T3, T4

+Trước một khoảnh khắc D1,D2 đang thông, qua D1 dương nguồn đặt vào a, quaD2 âm nguồn đặt vào b

Vì vậy tại thời điểm phát xung điều khiển vào van T4 và van T3 thì 2 van này

mở ngay Khi T4 và T3 dẫn thì dương nguồn đặt vào B còn âm nguồn đặt vào A

Do đó UD1=Ed < 0; UD2 = Ed < 0 cho nên sẽ đặt điện áp ngược nên D1 và D2 Hai vanD1, D2 khoá

Như vậy quá trình chuyển mạch là sự chuyển mạch tự nhiên

T1,T2,T3,T4 có thể chọn tiristor thường, xung điều khiển các van này là xung đơn.+Xét tại thời điểm : cần có sự chuyển mạch từ T3 Tại thờiđiểm này dòng điện tải có xu hướng đổi dấu (-) sang (+) dòng điện này đi ngựợcchiều dòng điện của T4, T3, làm cho T4, T3 khoá lại do dòng điện ngược

Sau đó D4 và D3 thông để tiếp tục duy trì hướng của dòng điện tải Hướng củadòng điện tải: Zt

*Tính toán các thông số

ut= E sin(ωt), vì Ut=E=const

Zt=

It=