Đồ án mạch nghịch lưu một pha

Với yêu cầu của đề tài khi đó chúng ta phải đi thiết kế một bộ nghịch lưu cho ra điện ápxoay chiều là 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số trong mạch đo được là 400Hz, I đầu ra 2A,Mạch lấy n

Tên đề tài :Tính toán, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu nguồn áp một pha

 Nội dung cần hoàn thành:

1 Lập kế hoạch thực hiệnGiới thiệu chung về nghịch lưu

2 Trình bày các phương pháp tính toán thiết kế bộ nghịch lưu nguồn áp

3 Thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu nguồn áp một pha đảm bảo yêu cầu:

4 Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn

Với yêu cầu của đề tài khi đó chúng ta phải đi thiết kế một bộ nghịch lưu cho ra điện ápxoay chiều là 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số trong mạch đo được là 400Hz, I đầu ra 2A,Mạch lấy nguồn ắc quy 12V cấp trsực tiếp cho mạch và cho biến áp Biến áp ở đây sửdụng như một bộ kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao hơn nhiều lần so với giá trị áp banđầu Chính vì mạch có khả năng biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều nênmạch 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 trìnhchạy mạch thì xung tạo ra là xung vuông và được khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn làTransistor, IGBT…

- 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 mạch nghịchlưu, 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

-.Kế hoạch tiến độ từng tuần

điện tử công suất, truyền động điện

Cả nhóm

-Đưa ra cơ sở lý thuyết chung của đề tài

-.Đưa ra ý tưởng thiết kế mạch

Cả nhóm

- Chuẩn hoá nội dung, hoàn thành báo cáo

- Hoàn tất sản phẩm, kiểm tra toàn bộ nộidung

Cả nhóm

- Các phương án thực hiện.

Nhóm thực hiện đề tài sử dụng hai phương pháp chủ yếu:

- Phương pháp tham khảo tài liệu:Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng cácnguồn tài liệu trên mạng, tài liệu tham khảo từ các anh chị khóa trên

- Phương pháp thực hành: Song song với việc đọc tài liệu nhóm thực hiện đề tài đã thựchành trên mô hình để dễ dàng nắm bắt được lý thuyết.

- Ý nghĩa của đề tài

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

Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp chúng em cóthể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổi điện áp Từ đó sẽ tích luỹđược kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thực tế

Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU

1.1 GIỚI THIỆU VỀ NGHỊCH LƯU

Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều Nguồncung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào và đầu ramột cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều Khác với bộ biến tần trực tiếp đã nghiên cứu,trong bộ nghịch lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúng phụ thuộcvào loại nguồn và tải Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại:

-Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều

-Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dòng một chiều

Loại nguồn sẽ xác định theo quan điểm chuyển mạch

Điện áp hoặc dòng điện ra của bộ nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng được tạo nên từ mộtsóng trong nửa chu kỳ gọi là bộ nghịch lưu được điều khiển toàn sóng Do sự phát triển củacác linh kiện bán dẫn công suất và phương pháp điều khiển, người ta thường sử dụng phươngpháp điều biến độ rộng xung PWM mỗi nửa chu kỳ được tạo nên từ nhiều sóng có độ rộngthích hợp, nhờ đó dễ dàng lọc điện áp và dòng điện ra Vì thế để bắt đầu nghiên cứu cầnnghiên cứu sự làm việc với điều khiển toàn sóng và làm cơ sở so sánh với sự làm việc vớiđiều biến đôh rộng xung Tiếp theo sẽ đề cập đến bộ biến tần cộng hưởng ít suy giảm Chúngthường được sử dụng để cung cấp cho các tải cần tần số trung bình có hệ số công suất rất nhỏ( đốt nóng bằng cảm ứng), chúng đòi hỏi điều khiển đặc biệt Bộ biến tần nghịch lưu dònghoặc áp thường được sử dụng trong truyền động điện xoay chiều có tốc độ thay đổi Theo đềtài cũng như cách hướng dẫn ta tập trung vào nghiên cứu về bộ nghịch lưu áp được cung cấp

Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và

có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩnhóa trong các bộ biến tần công nghiệp Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau đây sử dụngvan điều khiển hoàn toàn.

Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tưởng,tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không

1.2.1. Nghịch lưu áp một pha

1.2.1.1. Cấu tạo

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.9 Sơ đồ gồm 4 van động lựcchủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng về lưới

và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn

Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn haichiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo mộtchiều)

Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ Ccòn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp

1.2.1.2. Nguyên lý làm việc

Ở nửa chu kỳ đầu tiên cặp van T|, T2 dẫn điện, phụ tải đuợc đấu vào nguồn Donguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải U1 = E, hướng dòng điện là đường nét đậm

Tại thời điểm Ti và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được đấu vào nguồn

theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và u t = - E tại thời điểm .

Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1,T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trởthành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt )

Tương tự như vậy đối với chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch

Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua điôt iD và dòng qua tiristo được biểu diễn

trên hình 1.10

Biểu thức điện áp và dòng điện trên tải :

Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộngxung PWM để giảm bớt được kích thước của bộ lọc Nguyên lý của phương pháp này sẽđược nghiên cứu ở phần sau.

1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha.

Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.11 được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trungtính

Để đơn giản hóa việc tính toán ta giả thiết như sau :

• Giả thiết các van là lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn

điện theo hai chiều.

• Van động lực cơ bản T1 T2, T3 T4 T5 T6 làm việc với độ dẫn điện

Ẩ = 180P,Za=Zb=Zc

Các điôt D1 D2, D3 D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn và tụ C đảmbảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải

Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thịnhư trên hình (1.12).

Như vậy Ti, T4 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha A T3, Tố dẫn điện lệch nhau 1800 để tạo

ra pha B T5, T2 dẫn điện lệch nhau 1800 để tạo ra pha c, và các pha lệch nhau 1200

Dạng điện áp trên các pha UZA, UZB, UZC có dạng như trên hình 1.13 và

có giá trị hiệu dụng được tính bởi công thức sau :

Suy ra:

Giá trị tụ C được tính theo công thức:

Ta đưa ra thông số và yêu cầu bộ nghịch lưu cần thiết kế như sau: điện áp đầu vào Uv

=12V Điện áp đầu ra 220VAC/400Hz Dòng max ra là 2-5A Với yêu cầu như vậy, ta sửdụng mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn: Nghịch lưu độc lập nguồn áp mộtpha.Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau đó lấy một pha để sử dụng Nghịch lưu độc lậpnguồn áp ba pha có dạng hình sin hơn so với nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha, tuynhiên với mục đích sử dụng như ban đầu ta đưa ra thì hoàn toàn không cần thiết phải dùngnhư vậy, bởi bộ nghịch lưu áp ba pha cho chi phí cao hơn và tính toán điều khiển cũng phứctạp hơn rất nhiều, trong khi đó ta chỉ cần sử dụng một pha cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày

Do vậy ta sẽ chọn mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha với các thông số và yêu cầu

đã đề ra

Bộ biến đổi DC/AC sẽ gồm hai thành phần chính như sau :

Mạch điều khiển : Có nhiệm vụ phát xung vuông dao động với tần số 50 Hz cấp xung mởcho transiter dẫn sẽ làm cho mosfet dẫn

Mạch lực bộ nghịch lưu một pha :có nhiệm vụ đẩy kéo điện áp 12V DC lên 220VAC tần số400Hz

Tổng kêt chương I: Giới thiệu tổng quan về các bộ nghịch lưu Khái quát sơ bộ về bộ

nghịch lưu áp gồm nguồn áp một pha và nguồn áp 3 ba Theo những đánh giá cũng như cácthông số mà đề bài đưa ra, ta chọn được phương án thiết kế bộ nghịch lưu áp một pha Đểhiểu rõ hơn về các linh kiện được sử dụng trong mạch nghịch lưu áp một pha ta sẽ tiếp tụctìm hiểu trong chương 2

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN

2.1 IC n áp 7805 ổ

2.1.1 Sơ đồ chân

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 78XXNhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC

- Chân số 1: Input (chân vào)

- Chân số 2: GND (nối mass)

- Chân số 3: Output (chân ra)

2.1.2 Chức năng

IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố định ở mức(+) xx V

- 78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)

- XX là 2 số của điện áp lấy ra

Lưu ý: Điện áp đầu vào của IC phải lấylớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên Ví dụ IC 7805thì Vin phải 8V trở lên

2.1.3 Ứng dụng

Được dùng để thiết kế các bộ nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho các mạch điện khôngđòi hỏi điện áp ổn định quá cao

2.1.4 Một vài thông số của IC 7805

- Dòng cực đại có thể duy trì 1A

- Dòng đỉnh 2,2A

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán nếu dùngtản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Output voltage (Điện

Bảng 1.1: Một vài thông số của IC 7805

2.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

2.2.1 Cấu trúc và ký hiệu

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nốivới collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter( tương tự cực gốc) vớicollector(tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET Vì thế có thể coi

IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi mộtMOSFET.

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tửđược hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collectorvượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nêndòng collector

Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương của IGBT

2.2.2 Nguyên lý làm việc.

- Phân cực cho IGBT sao UCE >0,sau đó vào cực G một điện áp điều khiển Uge>0 với mộtgiá trị đủ lớn Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện từ giống như MOSFETcác hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nên dòng Colector

- Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thường , trể khi mở khoảng 0,15ms,trễ khi khóa khoảng 1ms Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dưới dạng điện

áp điều khiển là +-15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V

2.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area)

Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trịdòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa,cũng như trong các quá trình đóng cắt

Khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hình thư hai thì điện áp này

là âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phíatrên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn Điều này có nghĩa là khichu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóng cắt công suất càng suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor, SOA lại

bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòngđiện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làmIGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của thyristor Tuy nhiên khả năng chịuđựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn công suất khác Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao cho tránhđược hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor Hơn nữa,điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điệnIce trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cáchchuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòng Ice đượcgiới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó Tiếp theo IGBT phải đượckhóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh Tránhđược hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là điều cần thiếtkhi thiết kế IGBT

2.3.1 Sơ đồ chân IR2110

Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110

Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110

Hình 1.5: Giản đồ sóng Input và Output của IC IR2110

Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp

Chân 2: Phản hồi ở mức thấp

Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V

Chân 5: Điện áp treo trả về mức cao

Chân 6: Điện áp treo mức cao

Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao

Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20

Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức cao

Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt

Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức thấp

Chân 13: Chân cấp mass cho IC

2.3.2 Chức năng

Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối cùng là các driver.Tuy nhiên, do thời gian khóa của IGBT bị kéo dài và quá tải có thể bị kéo ra khỏi chế dộbão hòa, tổn thất trên phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử chính vì vật, driver choIGBT thường là các mạch lái(hybrid)- tức là một driver thường kết hợp các mạch bảo vệquá tải Đặc biệt, những driver cho IGBT công nghiệp là những mạch ghép phức tạp đểđảm bảo an toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc

IGBT sử dụng trong các mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ 2 đến hang chục nghìnKHz Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía phần tửđóng cắt Vì vậy, để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110

- Dải tần số của bộ dao động từ 100HZ tới 400 KHz

IC SG3525 có những tính năng ưu việt hơn so với IC 4047 và IC TL494 như:

lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC, dễ điều chinh độ rộng xung ra,khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kì âm mà không gây hiện tượng trùng dẫn

Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525Chức năng các chân:

Chân 1: Đầu vào đảo

Chân 2: Đầu vào không đảo

Chân 3: Chân đồng bộ hóa., cho phép đồng bộ xung với bộ dao động gắn ngoài

Chân 4: Đầu ra xung của bộ dao động trong

Chân 5: Mắc với một tụ điện CT=0.1uF- 1nF

Chân 6: Gắn với một điện trở RT=2kΩ - 150kΩ

Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp và được mắc với một trở RD

Chân 8: Chân này nối với 1 tụ để khởi động êm hơn và chế độ soft – start được kích hoạtkhi so sánh với điện áp Vref

Chân 9: Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra ra sẽ bùnếu có sai lệch về xung

Chân 10: Chân shutdown- ngừng Khi chân này mức thấp PWM được kích hoạt còn khi ởmức cao PWM được thiếp lập tức thời.

Chân 11 và chân 14: là các chân ra của tín hiệu điều khiển.Dòng ra định mức 100mA vàdòng đỉnh là 500mA Hai xung ra lệch pha nhau 1800

Chân 12: là chân mass của IC

Chân 13:Điện áp colector của transistor NPN được nối bên trong IC Điện áp cấp cho chânnày nên từ 9 đến 18V vì mosfet làm việc với điện áp thấp nhất là 8V và bị đánh thủng là20V

Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ 8 đền 35V

Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5V cao nhất là 5.2 V thông thường là 5.1

Giá trị của RD trong dải 0 đến 500 Ω RT phải nằm trong dải 2k đến 150K Ω Tụ CT phảinằm trong dải 1nF(102) tới 0.2uF(224) Tần số trong công thức trên là tần số của bộ daođộng vậy nếu muốn tính tần số của nghịch lưu là 50Hz thì ta phải tính ra 100HZ theo côngthức trên

Ch ươ ng 3: TÍNH TOÁN, THI T K M CH NGH CH L U ÁP 1 PHA Ế Ế Ạ Ị Ư

3.1 S đ kh i toàn m ch ơ ồ ố ạ