Đề tài thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều 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 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.

3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều 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 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. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Đỗ Quang Huy 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. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN . Hưng Yên, tháng 1 năm 2010. Giáo viên hướng dẫn Đỗ Quang Huy 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học MỤC LỤC A.LỜI MỞ ĐẦU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN. 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. 1. Giới thiệu về các van bán dẫn công suất. 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 ). 2. Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu và một số mạch ứng dụng 2.1 Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu 2.2Một số mạch ứng dụng 3. Máy biến áp và Ăc quy. 3.1. Máy biến áp. 3.2. Ăc quy. 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học PHẦN II : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM. 41. Tính toán máy biến áp 4.2. MOSFET công suất K956 4.3. Thiết kế mạch điều khiển 4.4.Mạch cách ly 4.5. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống và sơ đồ Board PHẦN III : ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM B. KẾT LUẬN 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học TÊN ĐỀ TÀI Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha * Số liệu cho trước - Các giáo trình và tài liệu chuyên môn - Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm. 1.1 Phân tích yêu cầu của đề tài. 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 ắc quy 12V, tần số trong mạch đo được là 50Hz, công suất ra của bộ nghịch lưu là 300W. Mạch lấy nguồn ắc 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 cao hơn nhiều lần so với giá trị áp ban đầu. Chính vì mạch có khả năng biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực rất lớn trong thực tế. Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phần lớn là linh kiện công 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 được khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor, IGBT… 1.2 Mục tiêu của đề tài. 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học 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 mạch nghịch 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 pha với công suất cho trước. 1.3Ý nghĩa của đề tài. Để giúp sinh viên có thể có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên nghành cũng như kiến thức ngoài thực tế. Đề tài còn thiết kế chế tạo thiết 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 viên khoá 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 giúp chúng em có thể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổi điện áp. Từ đó sẽ tích luỹ được kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thực tế. 1.4 Nội dung cần hoàn thành: - Lập kế hoạch thực hiện. - Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha. - Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha. - Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu: 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học + Điện áp đầu vào một chiều U = 12V lấy từ ắc quy. + Điện áp đầu ra dùng cho các 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 các bản vẽ A o , Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài. PHẦN I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học I. Giới thiệu về các van bán dẫn công suất. Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là : Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. 1.1. Điốt công suất. Điốt do hai lớp vật liệu bán dẫn P – N ghép lại thành. Điện tích mặt ghép có khi đạt tới hàng chục cm 2 , với mật độ dòng điện 10A/mm. H ình 1 : Cấu tạo và đường đặc tính V – A của điốt 1.2. Tiristor : ( SCR ). p n J Anot Katot 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học Tirirtor là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P 1 ,N 1 ,P 2 ,N 2 tạo thành, tirirtor phải được cấp một xung dương thì nó mới hoạt động. Do đó SCR thiết kế phải có 3 chân : chân Anot, Katot và chân điều khiển G. a : Cấu tạo của tiristor b : Ký hiệu và hình dạng thực c : Đặc tính V – A của tiristorHình 1.3. Triắc. 3 2 Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên Đồ án môn học Triắc là thiết bị bán bẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt – ampe đối xứng, nhận góc mở α cho cả hai chiều. Thực chất Triắc được chế tạo giống như 2 SCR ghép song song với nhau, dùng để dẫn dòng AC cả hai chiều khi cực G được kích xung dương hoặc áp âm. Hình 3 : Kí hiệu của triắc 1.4. Transistor công suất. 1.4.1. Transistor lưỡng cực ( BJT ). Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn. Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu là β = 10 → 100. Điện áp V be ≈ 1V; V cc = ( 1 → 1,5 ) V. . 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. thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha. - Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha. - Thiết kế,