BIẾN TẦN MỘT PHA ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

1.2 Khái niệm chung về máy biến tần: 1.2.1 Khái niệm về máy biến tần: Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử nhằm biến đổi tần số f1 của một điện áp hay dịng điện xoay chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày nay, nền công nghiệp trong quá trình phát triển mạnh mẽ, các yêu về hiệu xuất,

an toàn và tính ổn định được đặt lên hàng đầu đặc biệt là việc điều khiển động cơ trongcác hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất trong nhà máy với sự phát triển nhanhcủa các linh kiện bán dẫn chuyển mạch thì MÁY BIẾN TẦN ngày càng được sử dụngrộng rãi để điều khiển động cơ trong tất cả các máy móc công nghiệp mà không cầndùng đến các hộp số cơ khí thông thường Với các ưu điểm như điều khiển hiệu quả,thuận tiện, tiết kiệm được năng lượng nhờ hiệu suất chuyển đổi nguồn rất cao, phạm viđiều chỉnh động cơ rộng với chất lượng điều chỉnh tốt, ổn định, dễ bảo trì … hoặc cóthể sử dụng trong hệ thống UPS (bộ lưu điện) – thiết bị được dùng để cung cấp tạmthời điện năng nhằm duy trì hoạt đông liên tục của hệ thống khi lưỡi điện gặp sự cố

Đồ án Điện tử ứng dụng là một môn học giúp sinh viên hiểu rõ về lí thuyết các mônhọc như: kỹ thuật xung số, điện tử ứng dụng cũng như tiếp cận với cách tính toán,thiết kế một sơ đồ mạch điện hoàn chỉnh và hình thành cho sinh viên một phong cáchlàm việc khoa học khi giải quyết các bài toán cụ thể của thực tế sản xuất Qua đó sinhviên có khả năng phân tích điều kiện thức tế để tính toán linh kiện điện tử, sai số giữa

lý thuyết và thực tế, tạo ra sản phẩm ứng dụng trong thực tế đảm bảo chỉ tiêu kĩ thuật

và kinh tế

Trong nội dung đồ án môn học với đề tài “Biến tần một pha” Quá trình tính toán thiết

kế, nội dung đồ án em đã cố gắng trình bày rõ ràng và đầy đủ theo yêu cầu Đồ án đã

sử dụng các bảng tra đồng thời tính toán các bài toán cụ thể trong tính toán thiết kếgiúp cho đồ án có tính thực tế các như trong sản xuất Tuy nhiên việc tính toán thiết kếchắc chắn không tránh khỏi sai sót và hạn chế mong thầy thông cảm

Cuối cùng em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy đã giúp đỡ emhoàn thành đồ án này

ĐÀ NẴNG, ngày 20 tháng 12 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

1 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN TẦN 5

1.1 Giới thiệu chương 5

1.2 Khái niệm chung về máy biến tần 5

1.2.1 Khái niệm về máy biến tần 5

1.2.2 Phân loại 5

1.3 Phương án thực thi và sơ đồ khối 8

1.4 Kết luận chương 8

2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Giới thiệu chương 9

2.2 Điện trở R 9

2.2.1 Giới thiệu 9

2.2.2 Công thức thiết kế 9

2.3 Tụ điện C 10

2.3.1 Giới thiệu 10

2.3.2 Ứng dụng 11

2.4 Cuộn cảm L 12

2.4.1 Giới thiệu 12

2.4.2 Ứng dụng 13

2.5 Diode 13

2.5.1 Giới thiệu 13

2.5.2 Ứng dụng 14

2.6 MOSFET 15

2.6.1 Giới thiệu 15

2.6.2 Ứng dụng 16

2.7 Transistor 18

2.7.1 Giới thiệu 18

2.8 Op_Amp 20

2.8.1 Giới thiệu 20

2.8.2 Ứng dụng 21

2.9 IC CD404 21

2.10 Máy biến áp 23

2.11 Kết luận chương: 23

3 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ MẠCH 24 3.1 Giới thiệu chương 24

3.2 Yêu cầu thiết kế 24

3.3 Sơ đồ toàn mạch 25

3.4 Thiết kế các khối mạch 27

3.4.1 Khối astable 27

3.4.2 Khối biến áp và lọc sau nghịch lưu: 27

3.4.3 Khối động lực 29

3.5 Mô phỏng mạch: 33

3.5.1 Mô phỏng trên Proteus 33

3.5.2 Mô phỏng mạch thực tế dùng máy đo xung 34

3.5.3 Đánh giá mạch 35

3.6 Kết luận chương 35

4 KẾT LUẬN 36

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN TẦN

1.1 Giới thiệu chương:

- Nêu lên khái niệm chung về máy biến tần (MBT)

- Phân loại các loại MBT

- Tìm hiểu và nêu lên ưu, nhược điểm của từng loại

- Đưa ra phương án thực thi phù hợp với yêu cầu đề tài đặt ra và vẽ sơ đồ khối cho mạch của mình

1.2 Khái niệm chung về máy biến tần:

1.2.1 Khái niệm về máy biến tần:

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử nhằm biến đổi tần số f1 của một điện áp hay dịng điện xoay chiều sang một điện áp hay dịng điện cĩ tần số f2 khác cĩ thể diều chỉnh được Thường được dùng để thay đổi tần số dịng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và qua đĩ biến tần cĩ thể điều khiển động cơ của các máy mĩc, dây chuyền một cách vơ cấp

1.2.2 Phân loại:

Hiện nay trên thị trường cĩ nhiều máy biến tần của các cơng ly lớn như Siemens,Schneider, panasonic, Mitsubishi, … nhưng về mặt cấu tạo chúng cĩ thể được phânthành 2 loại chính là: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

1.2.2.1 Biến tần trực tiếp:

Biến tần trực tiếp biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều với tần số thành điện ápvới tần số ở đầu ra mà khơng qua một bước biến đổi năng lượng điện một chiều vàkhơng cần đến khâu trung gian nào

Hình 1.1: Sơ đồ khối biến tần trực tiếp

Bộ chỉnh lưu T1 cung cấp cho phụ tải dịngđiện dương và = cịn bộ chỉnh lưu T2 cungcấp cho phụ tải dịng điện âm và

=

T1

Z tải T2

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc của biến tần trực tiếp.

- Ưu điểm của BTTT: Bộ biến tần trực tiếp cho phép trao đổi năng lượng với

lưới điện một cách trực tiếp, ngoài ra tổn hao công suất cũng ít hơn do phụ tải nối vớinguồn chỉ qua một phần tử đóng mở và không có bộ phận trung gian

- Nhược điểm của BTTT: đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van đóng mở rất

phức tạp, khó khăn trong việc tạo mạch điều khiển chỉ sử dụng cho truyền động điện

có công suất lớn tốc độ làm việc thấp phạm vi biến đổi tần số nhỏ và khó khăn phụthuộc vào tần số vào và luôn cho tần số nhỏ hơn

1.2.2.2 Biến tần gián tiếp:

- Bộ biến tần gián tiếp hay còn gọi là bộ biến tần có khâu trung gian, trong biếntần này nguồn xoay chiều có tần số đầu vào qua bộ trung gian bao gồm chỉnh lưu, lọc

và nghịch lưu để biến đổi thành dòng xoay chiều với tần số ở đầu ra

Hình 1.3: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp

- Đối với loại biến tần này thì dải điều khiển tần số điều khiển lớn hơn, có thểđiều khiển vô cấp tần số đồng thời tần số đầu ra không phụ thuộc vào tần số đầu vào

giảm hiệu suất biến tần, nhưng nhờ sự phát triển của các linh kiện chuyển mạch nên taphát huy tối đa các ưu điểm của máy biến tần gián tiếp.

- Bộ biến tần gián tiếp gồm có 2 bộ phận riêng biệt là bộ phận động lực và bộphận điều khiển:

- Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bộ lọc trung gian mà người ta còn phân thành biếntần gián tiếp nguồn áp và biến tần gián tiếp nguồn dòng

+ Biến tần gián tiếp nguồn dòng:

 Là biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, thường sử dụng

là mắc cuộn cảm san bằng L có điện cảm lớn đặt nối tiếp ở đầu ra của khâu chỉnh lưu

 Đặc điểm của loại biến tần này là dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vàodạng của dòng điện của nguồn, còn dạng của áp trên tải phụ thuộc vào các thông số củatải quy định

+ Biến tần gián tiếp nguồn áp:

 Là biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp, thường sử dụng một

tụ điện lọc C đặt song song ở đầu ra của khâu chỉnh lưu

 Đặc điểm của loại biến tần này là dạng điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng điện

áp của nguồn còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quyđịnh Ưu điểm của bộ biến tần này là tạo ra dạng dòng điện và tần số cao hơn, dảibiến đổi tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

1.3 Phương án thực thi và sơ đồ khối:

Dựa vào các phân tích trên và yêu cầu của đề tài, ta chọn máy biến tần gián tiếp nhằmtạo ra tần số đầu ra lớn hơn tần số đầu vào và dùng bộ lọc nguồn áp để đảm bảo điện

Bộ biến tần(Mạch lọc)

Bộ điều khiển

Mạch tạo và thay

đổi tần số

áp đầu ra ổn định vì các ưu điểm và sự phổ biến của nó Ta sử dụng IC CD4047 để điều

khiển tần số, và các van đóng mở của khâu nghịch lưu ta sử dụng Mosfet nhằm đảm

bảo độ chính xác và ổn định của tần số, điện áp đầu ra

Ta có sơ đồ khối chi các phần là:

Hình 1.4: Sơ đồ khối của bộ biến tần 1 pha

1.4 Kết luận chương:

- Qua chương 1 này ta đã biết rõ về thế nào là biến tần và đã rút ra được phương án thực

thi cho đề tài này Giờ điều cần làm là tìm hiểu sâu hơn vào đề tài từ những gì đã rút ra

ở chương này ta sẽ thiết lập từng khối một đã nêu ra ở trên

- Sơ đồ khối vẽ trên chỉ mang tính tương đối và có thể thay đổi trong quá trình thực thi

Và trong sơ đồ đó có 1 số khối chưa cần thiết có thể ta sẽ không đề cập tới trong mạch

sẽ làm

2.1 Giới thiệu chương:

Chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu các linh kiện điện tử cần dùng cho các khối

- Giới thiệu các mỗi linh kiện: sơ đồ cấu tạo, ký hiệu, chức năng hoạt động của nó.

- Đưa ra ứng dụng vào khối mạch sẽ làm: sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và các công thức tính toán

2.2 Điện trở R:

2.2.1 Giới thiệu:

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn.Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ

2.2.2 Công thức thiết kế:

Định luật Ôm:

Công suất: P = U.I = I2.R

Cầu phân áp: Vout= (2.1)

Hình 2.2: mạch phân áp

Bảng 2.1 : giá trị điện trở

2.3 T ụ

điện C:

2.3.1 Giới thiệu:

cực đặt song song, có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều điqua nhờ nguyên lý phóng nạp

Cấu tạo của tụ điện: gồm 2 bản cực kimloại cách điện với nhau, môi trường giữa 2bản tụ này được gọi là điện môi

Đặc tính cơ bản: Tụ điện có khả năngtích trữ năng lượng dưới dạng năng lượngđiện trường bằng cách lưu trữ các electron,

nó cũng có thể phóng ra các điện tích này đểtạo thanh dòng điện

Đây chính là tính chất phóng nạp của tụ,nhờ có tính chất này mà tụ có khả năng dẫnđiện xoay chiều

- Phương trình nạp của tụ:

(t) = [(∞) - (0)](1- ) + (0) (2.2)

- Phương trình xã của tụ:

(t) = [(0) - (∞)](1- ) + (∞) (2.3) Suy ra (2.4)

2.3.2 Ứng dụng:

- Điên áp hiệu dụng sau lọc: Udo=U2 (2.5)

Trong đó: Unmax = U do: điện áp dao động

Với R là tải thì IR=

- Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu:

Ko== (2.6)

Từ IR của dòng tải ta tính đươc R qua công thức trên

Để mạch sau chỉnh lưu càng phẳng tức hệ số nhập nhô Ko càng nhỏ thì ta nên chọn C càng lớn càng tốt

Nó có tác dụng hạn chế thành phần song hài bậc cao và hạn chế vùng dọng điện gián đoạn.

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua

L = (2.10)

 L : là hệ số tự cảm của cuôn dây, đơn vị là Henrry (H)

 n : là số vòng dây của cuộn dây

 l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)

 S : là tiết diện của lõi, tính bằng m2

 µr : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi

Chọn lõi cuộn dậy có thông số S, µr có thể chịu được tần số hơn 500Hz và áp 220V sau đó ta có L đã tính suy ra được tỉ số

Chọn l tính ra n vòng từ đó quấn cuốn cảm xong đêm đo giá trị rồi hiệu chỉnh

2.5 Diode:

2.5.1 Giới thiệu:

Hình2.5a Cấu tạo Hình2.5b Kí hiệu

Diode là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến chỉ cho dòng chạy qua theo chiều thuận nên dòng điện xoay chiều đi qua diode chỉ có dòng nữa chu kỳ dương

2.5.2 Ứng dụng:

Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng mạch chỉnh lưu cầu:

Hình 2.6a Mạch chỉnh lưu cầu Hình 2.6b Dạng điện áp vào, ra

Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng U3 Sự không bằng phẳng này phụ thuộc cụ thể vào từng dạng mạchchỉnh lưu

 Tính toán thiết kế

Với nghịch lưu cầu ta chú yếu quan tâm đến 2 thông số điện áp và dòng điện.

- Tính dòng điện chạy qua Diode để nó không bị đánh thủng

Từ dòng Iout đầu ra theo yêu cầu ta đã tính toán được dòng chạy trong mạch động lực từ

đó ta chọn Diode chịu được số dòng đó

- Giá trị dòng điện hiệu dụng : Ihd= khd* Id

- Giá trị trung bình của điện áp sau chỉnh lưu:

(2.11)

Với U2: điện áp hiệu dụng sau biến áp

- Tính điện áp ngược đặt trên Diode

(2.12)

Với Knv, Ku là các hệ số điện áp ngược và điện áp tải

Các hệ số được tra theo bảng 1.1 (trang 23 sách TTTK thiết bị điện tử công suất)

2.6 MOSFET:

2.6.1 Giới thiệu :

MOSFET được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu điện tử

MOSFET được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như SMPS (Switched Mode Power Supplies), điều khiển động cơ, các bộ biến đổi công suất lớn, làm việc ở tần số cao… MOSFET được nghiên cứu và phát triển dựa trên transistor lưỡng cực (BJT), MOSFET

có 1 số đặc điểm sau :

- Tần số đóng cắt nhanh

- Trở kháng đầu vào cao

- Điện áp chịu đựng kém (so với BJT)

- Điều khiển bằng điện áp (khác với BJT - điều khiển bằng dòng điện)

MOSFET được chia làm 2 loại: MOSFET giàu (Enhancement MOSFET) và MOSFET nghèo (Depletion MOSFET) Mỗi loại lại chia làm 2 loại: loại kênh N và loại kênh P

Hình27 Kí hiệu MOSFET

a) Trạng thái dẫn:

Điều kiện để MOSFET dẫn là VGS > VGS(th)

MOSFET có điện trở giữa cực G với cực D và giữa cực G với cực S rất lớn, còn điện trở giữa D và S lại phụ thuộc vào VGS, VGS càng lớn thì RDS càng nhỏ

RDS(ON) là 1 trong những thông số để đánh giá khả năng làm việc và công suất tiêu táncủa MOSFET Công suất tiêu tán của MOSFET được tính theo công thức:

b) Trạng thái khóa:

Khi VGS < VGS(th) thì MOSFET không dẫn Tuy nhiên do tồn tại điện dung kí sinh giữa các cực (xem hình 4) nên nếu MOSFET đang dẫn mà |VGS| < VGS(th) thì MOSFET không khóa ngay mà dẫn thêm 1 lúc nữa (thậm chí là không khóa được) do tác dụng của tụ kí sinh Điều này làm ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ đóng cắt của MOSFET

Để tránh hiện tượng này, người ta thường mắc thêm 1 điện trở RGS giữa 2 cực G và S, điện trở này sẽ làm cho quá trình phóng của tụ CGS nhanh hơn rất nhiều và MOSFET nhanh chóng chuyển sang trạng thái khóa Muốn chuyển trạng thái từ dẫn sang khóa càng nhanh thì RGS phải càng nhỏ Tuy nhiên khi kích MOSFET sẽ có dòng điện chạy

từ mạch kích qua điện trở này làm tăng tổn hao

Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện

Nghịch lưu là bộ chuyển đổi điện thế DC thành AC tuần hoàn với tần số mong muốn khác tần số đầu vào nhưng có dạng không sin Muốn có dạng hình sin ta có thể dùng các kĩ thuật khác nhau để thực hiện biến đổi thành dạng sin

Nguyên lý cơ bản:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý và bảng trạng thái mạch nghịch lưu

Khi chỉ cho mạch hoạt động ở 1 và 3 ta có dạng sóng ra có dạng sóng vuông với chu

kỳ T và tần số 1/T

Hình 2.9a Dạng sóng mạch nghịch lưu khi 1 và 3 hoạt động

Khi cho hoạt động cả 1,2,3,4 theo trình tự như hình dưới ta có dạng sóng ra có dạng nấc với chu kỳ T và tần số 1/T

Hình 2.9b Dạng sóng mạch nghịch lưu khi 1,2,3,4 hoạt động

Dấu + dùng cho MOSFET loại N

Dấu - dùng cho MOSFET loại P

Các thông số Pc ,Vdss Id ta tra trong datasheet của linh kiện

Mối quan hệ giữa Vgs và Id:

(2.16)

Trong đó Kn là hệ số hỗ dẫn

Ta có thể tra mối quan hệ trên theo sơ đồ trong datasheet để xác định Vgs

- Đống thời ta phải kiểm tra thời gian nạp xã của tụ kí sinh để tránh hiện tượng trùng dẫncủa mạch cầu theo phương trình nạp xã của tụ thông thường

2.7 Transistor:

2.7.1 Giới thiệu:

- Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau Do đó có 2 loạitransistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên

Kí hiệu trong mạch điện

Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến cực

B mối quan hệ như sau:

IC=IB (2.17)

Thông số gọi là hệ số khuyếch đại của BJT, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loạiBJT, gái trị của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm Chính vì đặc điểm này mà transistor được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại”

Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần như cố định (VC, RC,

RCE) nên dòng IC cũng đạt giá trị max và gần như không thay đổi cho dù có tăng IB Quan hệ giữa IB và IC không còn đúng như công thức (2) Hiện tượng này gọi là bão hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của các mạch điện tử số (điều này giải thích tại sao người ta hay đề cập đến số lượng transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy tính chẳng hạn) Một cách tổng quát, điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là ICmax < IB Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt động như một “khóa điện tử”,

2.7.2 Ứng dụng:

- Khóa điện tử trong mạch kích cầu H: Sử dụng ở

trạng thái dẫn bão hòa tạo tín hiệu xung

- BJT tắt Tiếp xúc jC phân cực nghịch - có

dòngchạy từ C sang B nên gây hiện tượng kích

dẫn Vậy điều kiện BJT tắt :

(2.18)

- : dòng Ico tương ứng với nhiệt độ cực đại