Đề tài thiết kế mạch nghịch lưu

PHỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày điện tử công suất đóng vai trò quan trọng đời sống Việc biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác nhờ mạch công suất ứng dụng rộng rãi Đặc biệt nhờ có phát triển van bán dẫn công suất mà lĩnh vực ngày phát triển mạnh mẽ.Ta phân loại thành số dạng biến đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) AC→AC (Điều chỉnh điện áp xoay chiều); DC→DC (Điều chỉnh điện áp chiều) Mỗi nhóm có ứng dụng riêng lĩnh vực cụ thể Quá trình thực đồ án hướng dẫn thầy Tạ Hùng Cường chúng em sâu tìm hiểu mảng biến đổi lượng chiều lượng xoay chiều mà cụ thể mạch kích điện áp 12V chiều lên điện áp 220V xoay chiều công suất 300W Mạch ứng dụng nhiều đời sống sinh hoạt Mạch có nhiêm vụ cung cấp nguồn lượng cho tải xảy cố điện.Do thời gian thực không nhiều nên nhiều hạn chế.Chúng em tiếp tục tìm hiểu phát triển mở rộng ứng dụng mạch sau Trong thời gian thực đồ án vừa qua em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình thầy Tạ Hùng Cường Thầy giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho việc học tập cho công việc tương lai Sau chúng em xin trình bày kiến thức chúng em tìm hiểu thời gian vừa qua Vì kiến thức hạn chế thời gian tìm hiểu chưa nhiều nên đồ án em tránh khỏi sai sót Vậy em mong góp ý từ thầy để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các linh kiện bán dẫn công suất 1.1.1 Mosfet ● Giới thiệu Mosfet Hình 1.1: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet Mosfet, viết tắt "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" tiếng Anh, có nghĩa "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", thuật ngữ transistor hiệu ứng trường sử dụng phổ biến cácmạch số mạch tương tự Transistor MOSFET xây dựng dựa lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc bán dẫn Silic) [1] MOSFET có hai loại: + N-MOSFET: hoạt động nguồn điện Gate zero, electron bên tiến hành hoạt động bị ảnh hưởng nguồn điện Input + P-MOSFET: electron bị cut-off gia tăng nguồn điện vào ngỏ Gate ● Cấu tạo kí hiệu Hình 1.2: Cấu tạo kí hiệu G: Gate gọi cực cổng S: Source gọi cực nguồn D: Drain gọi cực máng Trong : G cực điều khiển cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn lại lớp điện môi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2) Hai cực lại cực gốc (S) cực máng (D) Cực máng cực đón hạt mang điện Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vô lớn, điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = điện trở RDS lớn, điện áp UGS > => hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS lớn điện trở RDS nhỏ ● Nguyên lý hoạt động Xét loại kênh dẫn n - Để JFET làm việc ta phân cực cho nguồn điện áp: UDS > UGS < - Giữa cực D cực S có điện trường mạnh nguồn điện cực máng UDS cung cấp, nguồn có tác dụng đẩy hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID - Điện áp điều khiển UGS < làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, bề rộng vùng nghèo tăng dần UGS < tăng dần Khi tiết diện dẫn điện giảm dần, điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống ngược lại Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển dòng điện cực máng ID - Trường hợp: UDS > 0, UGS = kênh dẫn xuất dòng điện ID có giá trị phụ thuộc vào UDS - UDS > 0, UGS < tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng phía cực D với cách mắc hình vẽ điện D lớn điện S mức độ phân cực ngược tăng dần từ S tới D → tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần * Thí nghiệm nguyên lý hoạt động Mosfet Cấp nguồn chiều UD qua bóng đèn D vào hai cực D S Mosfet Q (Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa dòng điện qua cực DS chân G không cấp điện Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt Từ thực nghiệm ta thấy : điện áp đặt vào chân G không tạo dòng GS Transistor thông thường mà điện áp tạo từ trường => làm cho điện trở RDS giảm xuống * Các thông số thể khả đóng cắt Mosfet Thời gian trễ đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds Tuy nhiên thông số thường cho dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss Nhưng điều kiện đinh điện áp Ugs Uds Ta tính giá trị tụ ● Xác định chân, kiểm tra-Mosfet Thông thường chân Mosfet có quy định chung không Transitor Chân Mosfet quy định: chân G bên trái, chân S bên phải chân D * Kiểm tra Mosfet Mosfet kiểm tra đồng hồ vạn Do có cấu tạo khác so với Transitor nên cách kiểm tra Mosfet không giống với Transitor - Mosfet tốt Là đo trở kháng G với S G với D có điện trở vô ( kim không lên hai chiều đo) G thoát điện trở kháng D S phải vô Bước : Chuẩn bị để thang x1KW Bước : Nạp cho G điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S D ) Bước : Sau nạp cho G điện tích ta đo D S ( que đen vào D que đỏ vào S ) => kim lên Bước : Chập G vào D G vào S để thoát điện chân G Bước : Sau thoát điện chân G đo lại DS bước kim không lên => Kết Mosfet tốt - Mosfet chết hay chập Bước : Để đồng hồ thang x 1KW Đo G S G D kim lên = W chập Đo D S mà hai chiều đo kim lên = W chập D S - Đo kiểm tra Mosfet mạch Khi kiểm tra Mosfet mạch , ta cần để thang x1W đo D S Nếu chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => Mosfet bình thường, Nếu hai chiều kim lên = W Mosfet bị chập DS ● Ứng dung Mosfet thực tế Mosfet nguồn xung Monitor Hình 1.3: Mosfet nguồn xung Trong nguồn xung Monitor máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh kiện IC tạo dao động đèn Mosfet, dao động tạo từ IC có dạng xung vuông đưa đến chân G Mosfet, thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, xung dao động = 0V Mosfet ngắt => dao động tạo điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh từ trường biến thiên cảm ứng lên cuộn thứ cấp => cho ta điện áp 1.1.2 Triac TRIAC (viết tắt TRIode for Alternating Current) phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n ởthyristor theo hai chiều cực T1 T2, dẫn dòng theo hai chiều T1 T2 TRIAC coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển Triac ta cần cấp xung cho chân G Triac ● Cấu tạo Triac linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc Thyristor mắc song song ngược chiều, dẫn điện theo hai chiều Hình 1.4: Cấu tạo Triac Triac có bốn tổ hợp điện mở cho dòng chảy qua: 10 - Toàn hệ thống mạch sử dụng nguồn 12v từ ắc quy.Ắc quy mạch sử dụng với thông số điện áp đầu 12v - Khi cấp nguồn SG3525 hoat động tạo xung 50Hz lệch pha 180 độ, xung SG3525 phụ thuộc vào điện trở tụ - Để điều chỉnh tần số phát ta mắc biến trở 50k chân để dễ dàng giải tần số - Điều chỉnh điện áp đầu biến trở từ chân điều chỉnh độ rộng xung cấp vào cực G IRF góc điều khiển từ ÷ π2 - Tín hiệu xung chân 11 14 lệch pha 180 độ Qua trở 100Ω tín hiệu xung lúc khoảng 5v cấp trực tiếp vào cực G IRF3205 IRF dẫn cấp điện áp 12v cho cuộn sơ cấp biến áp Do xung chân 11 14 lệch 1800 nên biến áp điểm tạo điện áp ngược pha 1chu kì Từ thông móc vòng cho điện áp thứ cấp biến áp 2.3.4 Mạch điều khiển mạch lực ● Nhiệm vụ chức mạch điều khiển Nhiệm vụ - Điều chỉnh độ rộng xung nửa chu kì dương điện áp đặt lên colector emitor van - Khoá van chu kì lại - Xung điều khiển phải có đủ biên độ lượng để mở khoá van chắn - Tạo tần số điều chỉnh độ rộng xung Trang: 42 - Dễ dàng lắp ráp, thay cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định Yêu cầu chung mạch điều khiển : - Mạch điều khiển khâu quan trọng hệ thống, phận định chủ yếu đến chất lượng độ tin cậy biến đổi nên cần có yêu cầu sau : + Về độ lớn dòng điện điện áp điều khiển: Các giá trị lớn không vượt giá trị cho phép Giá trị nhỏ phải đảm bảo đủ cung cấp cho van mở khoá an toàn Tổn thất công suất trung bình cực điều khiển nhỏ giá trị cho phép + Yêu cầu tính chất xung điều khiển : Giữa xung mở cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết phải lớn thời gian khôi phục tính chất điều khiển van + Yêu cầu độ tin cậy mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy môi trường trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từ truờng + Yêu cầu lắp ráp vận hành: Sử dụng dễ dàng , dễ thay , lắp ráp ● Nhiệm vụ chức mạch lực Nhiệm vụ - Cấp mass cho đầu cuộn dây sơ cấp máy biến áp điểm - Đóng cắt theo xung điều khiển vào cực G Yêu cầu - Mạch lực chịu tần số đóng cắt lớn - Mosfet xả hết điện ngưng dẫn Trang: 43 ● Sơ đồ mạch lực Hình 2.9a Sơ đồ mạch lực * Thuật toán PWM,dựa sơ đồ Trang: 44 Hình 2.9b Sơ đồ theo van m(t): Là sóng sin chuẩn VGE: Xung đóng mở theo van 2.3.5 Phương pháp điều chế PWM1 Phương pháp điều chế PWM1 cho phép tạo dạng dòng điện tải tùy ý, kể dạng hình sin Nguyên lý điều chế sơ đồ (hình 2.10.a) để đơn giản hóa thay sơ đồ thay (hình 2.10.b) Hình 2.10 Nghịch lưu áp pha (a) sơ đồ thay (b) Khóa S giữ chức hai tranzito T T2 Khi S vị trí tương ứng với T1 dẫn T2 khóa Ngược lại S vị trí tương ứng với T dẫn T1 khóa Khóa S chuyển từ vị trí sang ngược lại với tần số cao gọi tần số chuyển mạch fs (hoặc tần số mang) hình 6.6 Trang: 45 Nếu coi Δt1 thời gian khóa S vị trí Δt1 thời gian khóa S vị trí giá trị trung bình điện áp tải (Z) là: U TB = TS TS U t dt = ( ) ∫0 TS T  E ∆t1 E S  E ∆t1 − ∆t2  ∫ dt − ∫ dt  = ∆t1  TS  (5.9) Nếu tần số chuyển mạch không đổi (fs = const) thay đổi tỷ lệ Δt1 Δt1 theo quy luật hình sin: ( ∆t1 − ∆t2 ) / TS = µ sin Ωt (5.10) Thì giá trị trung bình UTB chu kỳ tần số chuyển mạch (TS) thay đổi theo quy luật hình sin U m sin Ωt (hình 6.7.) U TB = µE E sin Ωt Ω - tần số góc PWM (tần số nghịch lưu) µ µ - hệ số điều chế; = Δt1 Δt2 thay đổi giá trị từ đến TS Tuy nhiên khóa điện tử có quán tính nên µ P= S2/1,44 Vậy để công suất tầm 352W trở lên lõi S=1,2x352=22,5 (cm2); Chiều dài , chiều rộng lõi 4.5 cm cm Dòng cuộn sơ cấp I=P/US( U sơ cấp ) Dòng chạy qua cuộn sơ cấp =29.3 (A) Thiết diện dây sơ cấp Asc( 2.5 mật độ dòng điện ) Đường kính dây sơ cấp Asc=π dsc =>dsc =4 Asc π Với công suất 352W Asc== 0.085; dsc= 0.27 cm ( ta chọn dây 2.5 mm, hay 2.5 li) Từ mối quan hệ đại lượng I,U N ta có: Itc = =1.59 (A) Thiết diện dây thứ cấp Atc = Đường kính dây thức cấp : Atc = π.dtc => dtc =4 Atc.π =>dtc = 0.7 (mm) Số vòng cần quấn cho cuộn sơ cấp NSC= Số vòng bên thứ cấp NTC= = Với K ( lấy từ 38 đến 45 chọn 45) Số vòng cuộn sơ cấp 22 vòng Số vòng cuộn thứ cấp 440 vòng Để quấn máy biến áp công suất 352W ta chọn Chiều dài lõi 4,5cm rộng 5cm Trang: 50 Sơ cấp quấn cuộn cuộn 22 vòng dây đường kính 2.5cm Thứ cấp quấn 440 vòng đường kính 0.7cm 2.4.2 Mạch lực ● Chọn van Với dòng làm việc máy biến áp I=15A, P = 352W, ta chọn mosfet công suất IRF3205, Id=110A Dòng làm việc IRF cao dòng làm việc IRF điều kiện cực G kích mở liên tục Còn với dòng gián đoạn IRF chịu lại thấp thấp (IAS = 62A) so với dòng liên tục Trong IRF có tụ ký sinh để xả điện thực tế làm việc với tần số đóng cắt cao phải mắc thêm mạch hỗ trợ van.Nên chọn IRF phải ý đặc điểm ● Hình dạng kí hiệu ● Thông số Trang: 51 ● Tính toán mạch điều khiển Ta tính toán để có xung 50Hz sau: Rt Rd tính Ω ,CT tính F,f tính Hz với f = 50hz ta chọn: Ct = 0.1 uF Rd= 100Ω Rt = 284 ,428 kΩ Để điều chỉnh điện áp dung biến trỏ 100kΩ măc vào chân 2.5 Kết mô ● Mô mạch lực phần mềm Matlab Trang: 52 Hình 2.14 Sơ đồ mô mạch lực Hì nh 2.15: Sơ đồ khối PWM Trang: 53 Hình 2.16 Kết mô mạch lực phần mềm matlab Trang: 54 Hình 2.18 Phổ sóng hài KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian thực đồ án môn học Điện Tử Công Suất với đề tài“ Nghiên cứu mô nghịch lưu điện áp pha 12V DC-220V AC” em đạt số kết sau • Hiểu nguyên lý hoạt động mạch nghịch lưu điện áp hiểu tầm quan trọng thực tế sản xuất công nghiệp • Biết cánh thiết kế tính toán mạch lực • Biết cách thiết kế tính toán mạch điều khiển • Biết cách mô kiểm tra hoạt động mạch phần mềm matlab Trang: 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Minh Chính, Trần Trọng Minh , Phạm Quốc Hải, Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [2] Trần Trọng Minh , Giáo trình điện tử công suất, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [3] Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Phân tích giải mạch điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật, 1997 [4] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2009 Trang: 56 ... cầu thiết kế mạch nghịch lưu Ta đưa thông số yêu cầu nghịch lưu cần thiết kế sau Nguồn cấp Acquy 12VDC Công suất 300W Điện áp đầu 220VAC/50Hz Với nguồn cấp Acquy nên ta sử dụng mạch nghịch lưu. .. cho mạch mà ta cần thiết kế Như ta sử dụng mạch nghịchlưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn: Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau lấy pha để sử dụng Ghịch lưu. .. biến áp nghịch lưu 12v-220v dòng 40A 22 Công suất tối đa mạch là:P=12.40=480 w chạy ti vi,2 quạt bóng típ 40w * Phân loại: Nghịch lưu chia làm loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc nghịch lưu độc