Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

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 đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong 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 và chế tạo mạch nghịch lưu một pha”. 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 tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm

Đồ án mơn học LỜI NĨI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa Trong thời gian học tập nghiên cứu, học tập nghiên cứu môn Điện tử cơng suất ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, chúng em nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu pha” Với đề tài giao, chúng em vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Nguyễn Trung Thành với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đồ án môn học NĐ ế l u ế ế mạ I ị lưu mộ pha - ác giáo trình tài liệu chuyên môn - ác trang thiết bị đo, kiểm tra xư ng thực tập, th nghiệm * Phân tích yêu cầu đề tài Với yêu cầu đề tài phải thiết kế nghịch lưu cho điện áp xoay chiều 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số mạch đo 50Hz, công suất nghịch lưu 300W Mạch lấy nguồn ắc quy 12V cấp trực tiếp cho mạch cho biến áp Biến áp sử dụng kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao nhiều lần so với giá trị áp ban đầu Chính mạch có khả biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực lớn thực tế Mạch mạch cơng suất linh kiện sử dụng phần lớn linh kiện công suất Mạch sử dụng van bán dẫn công suất Transistor, MOSFET, IGBT…Trong trình chạy mạch xung tạo xung vuông khuyếch đại lên van bán dẫn Transistor, IGBT… * Mục tiêu đề tài Nắm cách tổng quan phần tử bán dẫn công suất Nghiên cứu mạch nghịch lưu, hiểu nguyên lý làm việc mạch nghịch lưu, phương pháp biến đổi từ lựa chọn phương án tối ưu để có áp dụng đồ án ngồi thực tiễn Đồ án mơn học Có khả tính tốn, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu điện áp pha với công suất cho trước * Ý nghĩa đề tài Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên nghành kiến thức ngồi thực tế Đề tài thiết kế chế tạo thiết bị, mơ hình để sinh viên trường đặc biệt sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho học sinh, sinh viên khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu học tập Những kết thu sau hoàn thành đề tài trước tiên giúp chúng em hiểu sâu nghịch lưu, phương pháp biến đổi điện áp Từ tích luỹ kiến thức cho năm học sau thực tế * Nội dung cần hoàn thành: - ập kế hoạch thực - Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch nghịch lưu pha - Phân tích nguyên lý làm việc thông số mạch nghịch lưu ba pha - Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu pha đảm bảo yêu cầu: + Điện áp đầu vào chiều U = 12V lấy từ ắc quy + Điện áp đầu dùng cho thiết bị điện xoay chiều U = 220V - f = 50HZ , P = 300VA + Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật Quyển thuyết minh.và vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nội dung đề tài Đồ án môn học PHẦN I :CƠ Ở LÝ THUYẾT I Gi i thi u van bán dẫn công suất: Các phần tử bán dẫn công suất có đặc t nh chung,đó làcác van bán dẫn làm việc chế độ khoá, m cho dòng chạy qua có điện tr tương đương nhỏ, khố khơng cho dòng chạy qua có điện tr tương đương lớn Các van bán dẫn dẫn dòng theo chiều phần tử đặt điện áp phân cực ngược, dòng qua phần tử có giá trị nhỏ, cỡ mA, gọi dòng rò 1.1.Tranzisto cơng suất ( Transistor lưỡng cực BJT ) Transistor lưỡng cực thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN PNP, dùng để đóng cắt dòng điện chiều có cường độ tương đối lớn Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu  = 10  100 Điện áp Vbe  1V; Vcc = (  1,5 ) V Gãp Gãp C C Gèc B N uBC _ B C + IC IB Uce P N P Gèc _ N + P _ _ uBC B IB + + E Ph¸t E a, b, E Ph¸t c, d, Tranzito npn Tranzito pnp a) cÊu t¹o; b) ký hiƯu c) cÊu t¹o; d) ký hiƯu Đồ án mơn học Ic Ib2 Ib2 > Ib1 Ib1 Ib = 0 V Đặc tính vơn – ampe Transistor cơng suất NPN Hình 1.1 : Cấu tạo đặc tính V – A Transistor công suất NPN Công suất tổn thất Tr làm việc với tải xác định nhỏ nhiều lần so với công suất tổn thất transistor chuyển trạng thái Tích cơng suất chuyển trạng thái pc với thời gian chuyển trạng thái tc lượng tổn thất trình chuyển trạng thái Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động transistor, nhiệt độ bên Tr không vượt 200oC Để giảm nhỏ lượng tổn thất Tr chuyển trạng thái gây nên người ta dùng mạch trợ giúp Việc sử dụng mạch trợ giúp xem bắt buộc Tr làm việc điều kiện sau : f > kHz VC   60V, IC > 5A 1.2 MOSFET công suất Tranzito trường FET(Fieed – Effect - Tranzito) chế tạo theo công nghệ MOS (Metal – Oxid – Semicom – Ductor –Fieed –Effect-Tranzito) gọi tắt tranzito MOS thường sử dụng chuyễn mạch điện tử công suất lớn Khác với tranzito lưỡng cực điều khiển dòng bazơ ,tranzito MOS điều khiển điện áp đặt lên cự cổng Tranzito MOS có ba cực ký hiệu tên gọi sau: Đồ án môn học D-cực máng (Drain) S-cực nguồn(Sourse) G- cực cổng (Gate) Trên hình kí hiệu thông thường kênh n tranzito MOS biểu din mt ct ngang ca tranzito MOS Mảng Máng N+ Dòng Dòng N ốt Tranzito P N+ P N+ N+ N+ Cỉng Ngn Ngn Cưa a, Si02 IC(A) b, 1.3 IGB a zs ặ ủ o lưỡng cực cổng cách ly (Isnulated Gale Bipolar Tranzisto) 1.3.1 Cấu trúc IGBT Trong IGBT , phần MOSFET nằm miền P N lớp P+ , tranzisto NPN nằm vùng Tranzisto PNP nằm ba vùng từ colecto đến emito E Điện tr R tương ứng với miền P gắn b i hai mấu kiểu N tiếp xúc kim l oại với emito Sơ đồ tương đương IGBT cho hình : Đồ án môn học E G E Cách điện C I C N N P N PNP N P D VCE N- NPN R P+ S VGE E C đ ấ đ đ ủ Các emito nguyên tố nối với cực E Cổng điều khiển cách li điệm tr vào MOSFET lớn IGBT có cấu tạo gần giống với tranzito trường (MOSFET)nhưng bổ sung thêm loại bán dẫn lạo P lớp bán dẫn loại N hình vẽ Việc bổ sung hai lớp bán dẫn giống việc ghép phần tử MOSFET cực gốc cực phát tranzito công suất loại pnp Điện áp VEC dương điện áp VGE lớn điện áp ngưỡng VT, xuất kênh dẫn ác điện tử chạy qua kênh bơm thêm vào lớp N có điện giảm huyển tiếp P+N- tr nên dẫn đưa IGBT vào trạng thái dẫn Vùng Nnhận điện tử emitor lỗ colector điện tr suất giảm điện tr biểu kiến nhỏ điện tr MOSFET, vùng N- không bơm thêm lỗ trống Ta nhận thấy dòng iC khác khơng VEC vượt điện áp ngưỡng chuyển tiếp P+N- điện tr biểu kiến trạng thái dẫn nhỏ hi đưa t n hiệu điều khiển cổng dòng điện iC tắt theo hai giai đoạn: - Đầu tiên kênh biến MOSFET bị khóa cách nhanh chóng, điều bước đầu làm iC giảm Đồ án môn học Tiếp theo hạt dư thừa vùng N- tái hợp dần dòng điện giảm chậm thời điểm dập tắt điện áp mỏng , nguồn giảm nhanh, dòng điện qua điện dung ký sinh gửi tới R phóng đưa tranzito NPN vào trạng thái dẫn Như hai tranzito lưỡng cực tác động tiristo chế độ thác dòng điện i C khơng thể điều khiển điện áp VGE Giá trị iC vượt giá trị xuất hiệu ứng này, gọi dòng điện chốt Để IGBT điều khiển lại cổng G iC phải giảm mức dòng điện trì khác - Đ Phần MOSFET IGBT điều khiển bazo tranzito PNP độ đóng tổn hao bị ảnh hư ng b i mạch điều khiển Do tổn hao chuyển tiếp mạch thấp biến đổi chuyển mạch mềm đòi hỏi mạch điều khiển có cơng suất cao Mạch điều khiển phải có dòng điện đỉnh có khả tạo nên điện t ch cổng để chuyển mạch dòng điện khơng điện áp không Thời hạn t n hiệu vào cổng phải nhỏ chu k chuyển mạch IGBT, tốc độ xung điều khiển phải lựa chọn để sử dụng ưu điểm chuyển mạch nhanh IGBT hệ Mạch xung điều khiển sử dụng linh kiện thụ động tương tự, xung điều khiển MOSFET Mạch điều khiển thông thường sử dụng điện tr cố định để đóng m IGBT hình vẽ sau: 1.4 : Mạ đ IGBT Đồ án mơn học Điện tr mạch điểu khiển đóng m IGBT RGON hạn chế dòng colecto cực đại điện tr RGOFF có tác dụng hạn chế điện áp colecto – emito Để giảm tốc độ biến thiên điện áp dVCE dt dòng điện diC/ dt sử dụng điện dung G Điện dung ngồi làm tăng dòng số thời gian mạch điều khiển, làm giảm diC dt hình vẽ Tuy nhiên CG không ảnh hư ng tới dVCE dt độ 1.5 : T đ G gi CD C o Để giảm thời gian trễ để điện áp VGC tăng tới GETH đưa điện dung G vào mạch sau VGE đạt tới ngưỡng dòng điện colecto tăng lên hình vẽ sau: 1.6 : Đồ án môn học Sự k o dài điện áp q độ đóng khơng bị ảnh hư ng phương pháp Để tránh hư hỏng IGBT đóng nhiễu cần đặt điện áp âm m Tr kháng cổng thấp làm ảnh hư ng nhiễu đến cổng huyển mạch khóa IGBT phụ thuộc vào đặc t nh tranzito lưỡng cực Thời gian tồn hạt xác định tốc độ hạt thiểu số tái hợp miền N ác điện t ch rời khỏi cổng trình khóa t ảnh hư ng đến tái hợp hạt thiểu số Sự k o dài dòng điện diC dt q trình khóa xác định tổn hao khóa, phụ thuộc chủ yếu vào lượng điện t ch t ch lũy thời gian tồn hạt thiểu số mạch điều khiển ảnh hư ng t đến tổn hao khóa ảnh hư ng nhiều đến tổn hao đóng IGBT cách sử dụng hình sau: 1.7 : đ Nguồn dòng phụ làm tăng dòng điện q trình điện áp k o dài giảm tổn hao dòng Dòng điện cổng ban đầu xác định b i V+GG RGON chọn thỏa mãn thông số quy định linh kiện nhiễu điện từ Sau dòng iC đạt tới cực đại xảy hiệu ứng Miller nguồn dòng có điều khiển có khả làm tăng dòng điện cổng để tăng tốc độ giảm điện áp colecto Điều làm giảm tổn hao chuyển mạch đóng, Tổn hao chuyển mạch m giảm hiệu ứng Miller phần m MOS trình m , cách giảm điện tr m Tuy nhiên làm tăng tốc độ thay đổi điện áp colecto, ảnh hư ng nhiều đến dòng điện chốt IGBT RBSO Trong chu k m , điện tr RGOFF xác định tốc độ cực đại biến thiên điện áp colecto sau linh kiện m , việc đóng tranzito T1 tránh cho IGBT đóng sai cách tránh cho điện áp cổng đạt đến điện áp ngưỡng 10 Đồ án mơn học PHẦN III TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM 3.1 Tính tốn máy biến áp Lựa chọn máy biến áp điểm so sánh mặt kinh tế mặt kĩ thuật phương án lựa chọn tối ưu i2 k2 n11 u i1 = + - n2 u2 zt n12 k1 Máy biến áp có thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 300VA Do máy biến áp điểm nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất máy biến áp: P =  U2.I2 Trong đó: P cơng suất máy biến áp U2 điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp I2 dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp  hiệu suất máy biến áp Chọn  = 0,85 ta t nh dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = P  U = = 1.6 ( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp 45 Đồ án môn học U I U I2   I1 = 2 U1 U2 I1 Do máy biến áp điểm nên điện áp sơ cấp tính U1 = 24( V ) I1 = 220.1.6 = 14,67( A ) 24 ông suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 I1 = 24 14.67 = 352 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có cơng suất P = 352 3.2 O FE ô với I = 15A suấ K851 a.Hình dạng Transistor MOS có ba cực : D - cực máng ( drain ) : điện t ch đa số từ bán dẫn chảy máng S - cực nguồn ( source ) : điện t ch đa số từ cực nguồn chảy vào bán dẫn G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển Tương đương thuật ngữ Transistor MOS Transistor lưỡng cực 46 Đồ án môn học Transistor MOS Transistor lưỡng cực D Colectơ S Emitơ E G Bazơ B VDD : nguồn điện máng VCC VGG : nguồn điện cổng VBB ID : dòng điện máng IC b.Đặc t nh c ác đường đặc t nh 47 Đồ án môn học 3.3.Thiết kế mạ đ ều khiển 3.3.1 Nhi m vụ * ă mạ đ ều khiển : Nhi m v - Điều chỉnh độ rộng xung nửa chu kì dương điện áp đặt lên colector emitor van - Tạo xung âm có biên độ cần thiết để khố van chu kì lại - Xung điều khiển phải có đủ biên độ lượng để m khoá van chắn * - Tạo đươc tần số theo yêu cầu - Dễ dàng lắp ráp, thay cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định - Cách ly với mạch động lực Yêu c u chung v mạ đ u n : - 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: 48 Đồ án môn học Các giá trị lớn không vượt giá trị cho phép Giá trị nhỏ phải đảm bảo đủ cung cấp cho van m khố an tồn Tổn thất cơng suất trung bình cực điều khiển nhỏ giá trị cho phép * Yêu cầu tính chất xung điều khiển : Giữa xung m cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết phải lớn thời gian khơi 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 vân hành : Sử dụng dễ dàng , dễ thay , lắp ráp 3.3.2 Tính tốn mạ đ u n: Để tạo khối phát xung ta sử dụng vi mạch CD4047B có thơng số sau : 49 Đồ án môn học 50 Đồ án môn học Sơ đồ chân vi mạch sau: Cấu trúc vi mạ 51 Đồ án môn học Hoạt động I sau: - Hoạt động chân astable ph p đạt đầu vào chân mức cao mức thấp chân chân - Độ rộng xung vuông Q Q hàm đầu vào phụ thuộc vào RC Chân astable cho phép mạch làm tạo dao động đa hài qua cổng Độ rộng xung chân 13 đầu Q chế độ astable Tuy nhiên điều 50% Trong chế độ ổn định đơn có sườn dương trigger(6) đầu vào +trigger(8) chân mức thấp xung đầu vào thuộc bất k thời điểm tương ứng với xung đầu Chân 12 cho phép kích m tr lại xung dương Đặc điểm vi mạch sau: - Công suất tiêu thụ thấp - Hoạt động trạng thái đơn chế độ không ổn định 52 Đồ án môn học ác đầu ổn định mức thể bù bổ xung u cầu tín hiệu nhât ngồi R đầu vào có điệm kiểm tra tĩnh điện áp 20Vđược chuẩn hố đặc t nh , đặc tính đầu chuẩn đối xứng Ta t nh toán để có xung 50Hz sau: Thay số: V DD = 12 V V TR = 50% V DD Với f = 50 (hz)   T = 0.02 (s)   4.4 RC = 0.02   RC = 4.55*10 3 Chọn tụ có C = 10-4 f U max Q Q = 11 V Dạng sóng đầu ra: 53 Đồ án mơn học Q t Q t 3.4 Mạch cách ly: Điện áp đầu 4047 11 V mức cao 0.05 V mức thấp Dòng điện điện áp làm việc IC nhỏ, mạch động lực dòng làm việc lớn Để cáchly mạch điều khiển mạch động lực ta sử dụng PC817 có cấu trúc thông số sau: 54 Đồ án môn học Điện áp vào làm việc PC lớn 6V nối đầu Q Q 4047 PC ta nối qua điện tr để gây sụt áp điện tr Suy ta chọn R= k  3.5 Nguyên lý hoạ động tồn h th ng: 55 Đồ án mơn học + hi cấp nguồn 4047 hoat động tạo xung 50Hz lệch pha 180 độ Diode PC phat sáng có xung Colecto P Xung điện áp đối xứng kích m cho K851, K851 dẫn dòng làm cho máy biến áp điểm xuất dòng điện cuộn sơ cấp hai nủa chu k + hi xảy cố tải dòng tăng cắt điện áp cấp cho mạch + ầu chì bảo vệ mạch điều khiển hệ thống đồ boad: 56 Đồ án môn học 57 Đồ án mơn học KẾT LUẬN Sau q trình thực đồ án chúng em thu số kết sau: + Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch nghịch lưu pha + Phân tích nguyên lý làm việc thông số mạch nghịch lưu ba pha + Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch nghịch lưu pha + Đặc biệt chúng em hồn thiện sản phẩm theo yêu cầu đặt cụ thể: Điện áp dùng cho tải URMS = 220 V Tuy nhiên đồ án chúng em có nhược điểm chưa ổn định điện áp tải lớn Với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành đồ án theo thời gian Một lần chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt thầy Nguyễn Trung Thành trực tiếp hướng dẫn chúng em việc hoàn thành đồ án Chúng em rát mong nhận ý kiến nhận xét, góp ý thầy cô bạn để đồ án cúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! 58 Đồ án môn học ỤC ỤC ầ I Cơ s l u ế …………………………………………………………5 I Giới thiệu van bán dẫn công suất …………………………………….5 1.1 Transistor công suất ………………………………………………… 1.2 Mosfet công suất …………………………………………………… ầ II G u ề mộ s mạ ị lưu …………………………… 14 2.1 Tổng quan nghịch lưu 14 2.2 Nghịch lưu phụ thuộc ………………………………………………15 2.2.1 Nghịch lưu phụ thuộc pha hai nửa chu k .15 2.2.2 Nghịch lưu phụ thuộc ba pha nửa chu k 17 2.2.3 Nghịch lưu phụ thuộc cầu ba pha 20 2.3 Nghịch lưu độc lâp 22 2.3.2.Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha có máy biến áp điểm 23 2.3.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn điện áp cầu 1pha .29 2.3 .Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện cầu pha 36 2.3.5 Nghịch lưu dòng điện ba pha 41 Phầ III ế ế mạ ……………………………………… 46 3.1.Tính tốn máy biến áp 46 3.2 Mosfet công suất K851 .47 3.3.Thiết kế mạch điều khiển 49 3.4 Mạch cách ly 55 3.5 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống 56 Kế luậ 59 59 ... thực - Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch nghịch lưu pha - Phân tích nguyên lý làm việc thông số mạch nghịch lưu ba pha - Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu pha đảm bảo yêu cầu: + Điện áp đầu vào... đồ nghịch lưu làm việc phát chiều ) chế độ độc lập (với nguồn độc lập ác quy, máy Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống chỉnh lưu có điều khiển Mạch nghịch lưu phụ thuộc mạch chỉnh lưu. .. số pha tu ý Tần số điện áp nghịch lưu Nói chung điều chỉnh tu ý Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập mạch cầu mạch dùng biến áp có trung tính Sơ đồ nghịch lưu lập chia ba loại bản: - Nghịch lưu