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.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, 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 xãhội 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 nóngbằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biếnđổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệtruyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tửcông suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại Vìvậy 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 củamình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếusót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiếnđánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, tháng 1 năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

Đỗ Quang Huy

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.

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

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 rađiện áp xoay chiều là 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số trong mạch đo được là50Hz, 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 ởđây sử dụng như một bộ kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao hơn nhiều lần sovới giá trị áp ban đầu Chính vì mạch có khả năng biến đổi nguồn một chiều thànhnguồn 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 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 được khuyếchđại lên bằng các van bán dẫn là Transistor, IGBT…

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 pha vớicông 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 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 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:

+ 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 kỹthuật, mỹ thuật Quyển thuyết minh.và các bản vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nộidung của đề tài

PHẦN I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 trởtương đương rất lớn

Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện ápphân 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 khiđạt tới hàng chục cm2, với mật độ dòng điện 10A/mm

pnJ

Anot

Katot

1.2 Tiristor : ( SCR ).

Tirirtor là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo thành, tirirtor phảiđược cấp một xung dương thì nó mới hoạt động Do đó SCR thiết kế phải có 3chân : chân Anot, Katot và chân điều khiển G

PP

G2 G1 GO

IG= 0

c : Đặc tính V – A của tiristorHình

1.3 Triắc.

Triắc là thiết bị bán bẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt – ampe đốixứng, nhận góc mở  cho cả hai chiều Thực chất Triắc được chế tạo giống như 2SCR ghép song song với nhau, dùng để dẫn dòng AC cả hai chiều khi cực G đượckích 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  = 10  100 Điện áp Vbe  1V; Vcc =( 1  1,5 ) V

II

I

c b

b1

b = 0

VI

Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do Tr chuyển trạng thái gây nên người ta dùngcác mạch trợ giúp Việc sử dụng các mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tr làmviệc ở các điều kiện sau :

f > 5 kHz hoặc VC 60V, IC > 5A

1.4.2 Transistor MOS công suất ( MOSFET ).

Transistor MOS có ba cực :

D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra máng

S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bándẫn

G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển

Tương đương về thuật ngữ giữa Transistor MOS và Transistor lưỡng cực

Transistor MOS Transistor lưỡng cực

Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điệnxoay chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu.

Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng

xoay chiều

Phân loại: Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại.

- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều

- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ác quy, máyphát một chiều )

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 được đổidấu so với chỉnh lưu và góc mở  của các tiristo thoả mãn điều kiện (/2 <  < ) lúc

đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay Tần số và điện áp nghịchlưu 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 độc lập(không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý Tần số

và điện áp nghịch lưu Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý Có hai dạng sơ đồ nghịchlưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính

Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:

- Nghịch lưu độc lập điện áp

- Nghịch lưu độc lập dòng điện

- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng

2.2 Một số mạch ứng dụng

a.Phương án 1: Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T1

và T2 dao động đa hài phát ra tín hiệu đóng Hai Transistor T1 và T2 mắc cùngvới bốn điện trở, trong đó có sử dụng trở công suất thành mạch tạo ra xung vuông.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

Sơ đồ:

Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay chiềunhưng có nhược điểm độ ổn định không cao

b.phương án 2

-Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài Điện áp đầu ra của 4047 là 11 V ở mức cao và0.05 V ở mức thấp.

-Dòng điện và điện áp làm việc của IC nhỏ, còn ở mạch động lực dòng làm việclớn Để cáchly giữa mạch điều khiển và mạch động lực ta sử dụng PC817

Khi được cấp nguồn 4047 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha nhau 180 độ.Diode của PC phat sáng có xung trên Colecto của PC Xung điện áp đối xứng kích mởcho K956, K956 dẫn dòng làm cho máy biến áp điểm giữa xuất hiện dòng điện trongcuộn sơ cấp ở cả hai nủa chu kỳ

- Khi xảy ra sự cố quá tải dòng tăng sẽ cắt điện áp cấp cho mạch

3.1 Máy biến áp.

-Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện

từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữnguyên tần số Hệ thống điện đầu vào máy biến áp ( trước lúc biến đổi ) có : điện áp

U1, dòng điện I1, tần số f Hệ thống điện đầu ra của máy biến áp ( sau khi biến đổi ) có: điện áp U2, dòng điện I2 và tần số f

-Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp Đầu ra nốivới tải gọi là thứ cấp Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1.Các đại lượng và thông số thứ cấp có chỉ số 2 : số vòng dây thứ cấp w2, điện áp thứcấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2

-Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp Nếu điện áp thứ cấpnhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp

Máy biến áp có hai bộ phận chính : lõi thép và dây quấn

+ Lõi thép máy biến áp :

-Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từnhững vật liệu dẫn từ tốt, thướng là thép kỹ thuật điện Lõi thép gồm hai bộ phận :

- Trụ là nơi để đặt dây quấn

- Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

Trụ và không tạo thành mạch từ khép kín

Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện ( dày0,35mm đến 0,5mm, hai mạch có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõithép

+ Dây quấn máy biến áp :

-Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm ), cótiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện

-Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây,giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi thép Máy biến áp có hai thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặttrên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt ra lồngngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

w1 w2

Gông

Dây quấn thấp áp

Dây quấn cao áp

a : Lõi thép máy biến áp b : Dây quấn máy biến áp

Hình 11 : Lõi thép và dây quấn máy biến áp

-Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõithép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp Đối với biến áp công suấtlớn, vỏ thùng dầu dầu có chứa cánh tản nhiệt

3.2 Ăcquy.

-Ăcquy là loại bình hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điệncung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, bóng đèn làm nguồn nuôi cho cáclinh kiện điện tử vv

- Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng nạp điện

và khi ăcquy phóng điện hoàn toàn là 0.02 đến 0.025

-Có hai loại ăcquy là : ăcquy axit ( hay ăcquy chì ) và ăcquy kẽm (ăcquy sắt kềnhay ăcquy cadimi - kền ) Trong đó ăcquy axit được dùng rộng rãi và phổ biến hơn

-Hình 12 : Quá trình nạp điện cho ăcquy

PHẦN II

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM.

4.1.Tính toán máy biến áp

Lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và mặt kĩ thuật phương

án lựa chọn này là tối ưu

zt u2

Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 300VA

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V )

Công suất của máy biến áp: P = .U2.I2

Trong đó: P là công suất của máy biến áp

U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp

I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp

 là hiệu suất máy biến áp

Chọn = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp

I2 = .U2

P

Áp dụng tỉ số máy biến áp

1

2 2

1

I

I U

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V )

I1 = 22024.1.6 = 14,67( A )Công suất máy biến áp cần chọn:

P1 = U1 I1 = 24 14.67 = 352 (W)Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 352W với I = 15A

4.2 MOSFET công suất K956

a.Hình dạng

Transistor MOS có ba cực :

D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra máng

S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bán dẫn.

G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển

Tương đương về thuật ngữ giữa Transistor MOS và Transistor lưỡng cực

Transistor MOS Transistor lưỡng cực

4.3 Thiết kế mạch điều khiển

4.3.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển :

- Tạo ra đươc tần số theo yêu cầu

- Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định

- Cách ly với mạch động lực

* Yêu cầu chung về mạch điều khiển là :

- Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủyếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau :

* Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển:

Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảmbảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn Tổn thất công suất trungbình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép

* Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :

Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này phải lớnhơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van

* Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển :

Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từtruờng

* Yêu cầu về lắp ráp và vân hành :Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp