Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha công suất 500w

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Hà Nội, tháng 5, năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Page MỤC LỤC Page LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn cơng suất, 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 công suất ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, em nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu pha công suất 500w” Với đề tài giao, 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 Trường Giang với cố gắng nỗ lực em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Page Chuơng 1: Tổng quan NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP PHA 1.1 Tổng quan công nghệ Điện tử công suất chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử, phần tử bán dẫn công suất Nhằm khống chế nguồn lượng điện với tham số không thay đổi thành nguồn lượng điện với tham số thay đổi để cung cấp cho phụ tải Như biến đổi bán dẫn công suất đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khố bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khố khơng cho dòng điện chạy qua van Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dòng điện mà khơng gây tia lửa điện, khơng bị mài mòn theo thời gian, khơng gây tiếng ồn có khả đóng cắt với tần số lớn Khơng van bán dẫn đóng cắt dòng điện lớn với điện áp cao phần tử điều khiển chúng lại tạo mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Quá trình biến đổi lượng sử dụng van công suất thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khoá điện tử, khơng đáng kể so với cơng suất điện cần biến đổi Các biến đổi công suất đạt hiệu suất cao mà có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hoá.Trong thời gian dài ứng dụng kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng lĩnh vực biến đổi tần số cao dân dụng Sự phát triển truyền động điện thúc đẩy đời điện tử công nghiệp từ năm 1950 Tuy nhiên, ứng dụng chúng bị hạn chế Page thiếu linh kiện điện tử cơng suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ đặc biệt có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân khơng có khí, đèn thủy ngân khơng đáp ứng yêu cầu khắt khe điều khiển công nghiệp.Sự phát minh tranzitor vào năm 1948 Bardeen, Brattain Schockly phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng kỹ thuật điện tử Đến năm 1960 hoàn thiện kỹ thuật bán dẫn, loạt linh kiện bán dẫn công suất diode, tiristor, tranzitor công suất đời Đến năm 1970 kỹ thuật vi mạch tin học ngày phát triển tạo nên thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính ngày phong phú làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện Kể từ đây, kỹ thuật điện điện tử hội nhập thúc đẩy phát triển.Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao thay đổi với tốc độ lớn 1.1 Khái niệm nghịch lưu độc lập pha 1.1.1 Nghịch lưu dòng pha Nghịch lưu dòng thiết bị biến đổi nguồn dòng chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm nghịch lưu dòng nguồn chiều cấp nguồn cho biến đổi phải nguồn dòng, điện cảm đầu vào (Ld) thường có giá trị lớn vơ để đảm bảo dòng điện liên tục a) Nguyên lý làm việc: Sơ dồ nghịch lưu dòng pha trình bày hình (sơ đồ cầu) hình (sơ đồ có điểm trung tính) *) Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển đưa vào đơi tiristor T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3, T4 góc 1800 Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn (Ld = ∞), dòng điện đầu vào Page san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu nguồn dòng dạng dòng điện nghịch lưu (iN) có dạng xung vng Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id Đồng thời, dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu nạp điện với dấu “+” bên trái dấu “-” bên phải Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm không Do iN = iC + iZ = Id = const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ sau dòng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp van T3, T4 mở tạo q trình phóng điện tụ C từ cực “+” cực “-” Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 T2 làm cho T1, T2 bị khóa lại Q trình chuyển mạch xảy gần tức thời Sau đó, tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” bên phải “-” bên trái Dòng nghịch lưu i N = id = Id đổi dấu Page Hình 1.1 Sơ đồ pha có điểm trung tính biểu đồ xung sơ đồ cầu pha Đến thời điểm (t = t2) người ta đưa xung vào mở T1, T2 T3, T4 bị khóa lại q trình lặp lại trước Như vậy, chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho tiristor.Ở thời điểm t1, mở T3, T4, tiristor T1, T2 bị khóa lại điện áp ngược tụ C đặt lên Khoảng thời gian trì điện áp ngược t1 ÷ t’1 = tk ≥ toff; toff thời gian khóa tiristor thời gian phục hồi tính chất điều khiển ω.tk = β góc khóa nghịch lưu Page 1.1.2 Nghịch lưu áp pha Nghịch lưu áp thiết bị đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tuỳ ý Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Hơn nữa, điện áp nghịch lưu áp điều chế theo phương pháp khác để giảm sóng điều hồ bậc cao Trước nghịch lưu áp bị hạn chế ứng dụng cơng suất van động lực điều khiển hồn tồn nhỏ Hơn nữa, việc sử dụng nghịch lưu áp tiristor khiến cho hiệu suất biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày nay, công suất van động lực như: MOSFET, GTO trở nên lớn có kích thước gọn nhẹ, nghịch lưu áp trở thành biến đổi thông dụng chuẩn hố biến tần cơng nghiệp Do đó, sơ đồ nghịch lưu áp trình bày dưới sử dụng van điều khiển hoàn toàn Trong trình nghiên cứu, ta giả thiết van động lực khoá điện tử lý tưởng, tức thời gian đóng mở khơng nên điện trở nguồn không *) Cấu tạo: Sơ đồ nghịch lưu áp pha gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng tải lưới tránh tượng áp đầu nguồn Tụ C mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn hai chiều (nguồn chiều thường cấp chỉnh lưu cho phép dòng theo chiều) Như vậy, tụ C thực việc tiếp nhận công suất phản kháng tải, đồng thời tụ C đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn áp (giá trị C lớn nội trở nguồn nhỏ, điện áp đầu vào san phẳng) 1.2 Nguyên lý làm việc nghịch lưu áp pha Ở nửa chu kỳ (0 ÷ θ2) cặp van T1, T2 dẫn điện; phụ tải đấu vào Page nguồn Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải Ut = E (hướng dòng điện đường nét đậm) Tại thời điểm = θ2, T1 T2 bị khoá, đồng thời T3 T4 mở Tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều Ut = -E thời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ ngun hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng tải trở thành nguồn trả lượng thông qua D3, D4 tụ C (đường nét đứt) Hình 1.2 Nghịch lưu áp cầu pha Tương tự vậy, khố cặp T3, T4 dòng tải khép mạch qua D1, D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải it, dòng qua diode iD dòng qua tiristor biểu diễn hình 1.2.2 Page Hình 1.2.2 Đồ thị nghịch lưu áp cầu pha 1.3 Phương pháp điều khiển Nghịch Lưu Phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng rộng rãi để điều khiển nghịch lưu pha Có hai phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu cầu pha phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực điều chế độ rộng xung lưỡng cực Có nhiều loại điều khiển nghịch lưu áp Có thể kể đến phương pháp điều khiểntheo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng, phương pháp điều chế vector không gian, …Các phương ph áp nhằm mục tiêu cho điện áp đầu có dạng gần sin tốt Thơngthường dạng sóng tạo có loại: tạo sóng sin mơ Page 10 I2 dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp hiệu suất máy biến áp Chọn = 0,85 ta tính dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = = 2.6 ( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp I1 = Do máy biến áp điểm nên điện áp sơ cấp tính U1 = 24( V ) I1=(220.1,6):24=23,8A Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 I1 = 24 23.8= 571.2 (VA) Vậy ta chọn máy biến áp có cơng suất P = 600VA với I = 25A Page 20 5.1.2 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch Ta lựa chọn MOSFET có ưu điểm sau: + Tốc độ chuyển mạch cao tổn hao chuyển mạch thấp + Làm việc với điện áp cao + Mạch biến đổi sử dụng MOSFET điều khiển đơn giản 5.1.3 Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch MOSFET - Dòng làm việc qua van dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp: I = 25 A ( Ta chọn phương thức làm mát cánh tản nhiệt ) Chọn MOSFET có dòng làm việc là: I V   I I   15 A K 0, Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = Kdc.12 = (1.6-2)*12 = 24 (V) Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V Từ điều kiện tính tốn ta chọn van: IRF3205 với tham số sau: Page 21 Page 22 5.1.4 Tính chọn cầu chì - 2A Để tránh tượng làm việc tải hay ngắn mạch Mạch điện tính tốn với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA gây cố phá hỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm việc xác định ICC = K.I = 1,5* 2.67 = 4.005 (A) Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2.67A ; điện áp 250V loại cắt nhanh * Mạch bảo vệ áp sử dụng rơle KĐTT 741 thiết kế sơ đồ ngun lý 5.1.5 Tính tốn mạch lọc LC : a sơ đồ mạch lọc LC b Tính tốn số liệu LC Page 23 -, Xác định tụ C2 : Chọn   0, , suy Q2   P1  0, 7.600  420 VA , từ ta tính đc tụ C2 : Z C2  U ra2 2202 1   115  C2    27, 7.10 6  F Q2 420 1Z C2 314.115 -,Xác định mắt cộng hưởng nối tiếp L1C1 : 2 2 Ta có : 1 (q  1)     1.0, 7(3  1)  0,   1  0, 266 , chọn 1  0, Suy công suất phản kháng Q1  1P1  0, 2.600  120VA Dòng điện tải lấy theo tính 23,8A , từ tính giá trị nhóm cộng hưởng nối tiếp : Z C1  Q1 120 1   5;  C1    6, 3.103 F I1 23,8 1Z C1 314.5  L1  Z C1 1   0, 016 H 314 Kết mô lọc theo số liệu tính tốn vẫn với điện áp nguồn chiều cho hình dạng điện áp tải đặc tính biến tần hình dưới 5.2 Thiết kế mạch điều khiển 5.2.1 Nhiệm vụ và chức mạch điều khiển Page 24 *Nhiệm vụ Như biết MOSFET van điều khiển hoàn toàn tức điều khiển mở xung khố xung nên mạch điều khiển phải có chức sau : - 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 mở 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 cầu chung mạch điều khiển : 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: Các giá trị lớn không vượt giá trị cho phép Giá trị nhỏ phải đảm bảo đủ cung cấp cho van mở 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 mở 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 : Page 25 * Yêu cầu lắp ráp và vân hành: Sử dụng dễ dàng, dễ thay , lắp ráp 5.2.2 Thiết kế mạch điều khiển: Để tạo khối phát xung ta sử dụng vi mạch SG3525 có thông số sau : Sơ đồ chân vi mạch sau Page 26 : Cấu trúc vi mạch sau: Page 27 Hoạt động IC sau: Mạch ổn áp xung thường thấy hoạt động theo nguyên tắc: điều xung PWM với tần số cố định, hai điều tần với xung vuông (50% bật, 50% tắt) Xung đưa từ phát xung vào chân cổng (Gate) lái MOSFET công suất, điều dòng bật tắt qua cuộn cảm tạo điện ra, lọc tụ điện Với nguyên tắc PWM, thời bật tăng, lượng nạp/xả vào cuộn cảm tăng làm tăng điện ra, ngược lại thời bật giảm Page 28 Với nguyên tắc điều tần, tần số tăng, lượng nạp/xả hay lượng truyền từ sơ sang thứ tăng tính chất lõi sắt cuộn cảm biến thế, ngược lại tần số giảm Hình sơ đồ khối SG3525 SG3525 hoạt động theo nguyên tắc điều xung PWM Chân 11 14 phát xung PWM, xung lái MOSFET công suất cuộn cảm biến Có thể dùng chân 11 14 cho mạch dùng MOSFET dùng hai cho mạch MOSFET kéo đẩy Hai đầu điện ngõ hồi tiếp chân Khối Error Amp dò mức điện ra, điện thay đổi tạo tín hiệu vào phát xung PWM thay đổi Bộ pháp xung PWM kết hợp với khối dao động Oscillator Latch làm biến đổi độ bật tắc xung PWM, xung PWM đưa qua transistor tầng phát xung Output state Vậy ta thấy xung phát chân 11 14 có độ tắt mở thay đổi tùy tính hiệu hồi tiếp chân Và với mạch ổn áp, hồi tiếp âm, tức xung phát ngược lại với tín hiệu hồi tiếp Khi tín hiệu hồi tiếp giảm thời bật tăng ngược lại Ví dụ cụ thể hơn, dòng tải tăng làm cho điện ngõ giảm, tín hiệu hồi tiếp giảm, mạch điều xung tăng thời bật (tăng duty cycle), làm MOSFET công suất bật lâu hơn, làm tăng lượng qua cuộn cảm biến thế, đưa điện lên Khi dòng tải giảm, q trình ngược lại Q trình hình thành vòng kín làm ổn định điện Page 29 Các chân chân (RT) (CT) nối trở tụ để định tần số giao động, tần số xung PWM Chân 3(Sync) dùng để kết hợp với ổn áp xung khác để hoạt động đồng Nếu biến xung hệ thống ta khơng cần dùng chân Chân (C soft-start) nối với tụ để làm khởi động êm Giá trị tụ nối chân định độ êm Chân 10 (Shutdown) nối xuống Ground tắt hoạt động chíp Chân (OSC Output) khơng cần Dạng sóng đầu : 5.2.3 Mạch cách ly Có tác dụng cách ly mạch động lực mạch điều khiển, tín hiệu điều khiển vẫn truyền nguyên vẹn từ mạch điều khiển tới mạch lực Hình 5.5 Phần tử cách ly quang Page 30 Sau có xung từ khối so sánh diode dẫn phát tín hiệu vào cực B tranzito OPTO Nếu cực C tranzito có điện áp cấp vào từ mạch nguồn tranzito dẫn đặt điện áp vào cực G MOSFET Mạch sử dụng cách ly quang PC817 với thông số bảng sau Tính chọn giá trị điện trở ==210(Ω) Vậy ta chọn R1=330(Ω) phù hợp Page 31 5.3 Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý hoạt động 5.3.1 Sơ đồ nguyên lý Page 32 5.3.2 Nguyên lý hoạt động -Toàn hệ thống mạch sử dụng nguồn 12v từ ắc quy.Ắc quy mạch sử dụng với thông số điện áp đầu 12v dòng điện 5A -Khi cấp nguồn SG3525 hoat động tạo xung 50Hz lệch pha 180 độ, xung SG3525 phụ thuộc vào điện trở tụ (yêu cầu tụ điện nối chân chân ,1 điện trở chân chân số 3cuả IC) Để tín hiệu phẳng có độ dao động ta chọn điện trở 1k tụ điện phân cực 4.7 uf -Để điều chỉnh tần số phát ta mắc nối tiếp điện trở với biến trở 100k để dễ dàng giải tần số - Tín hiệu xung chân 10 11 lệch pha dẫn qua Diode 1N4047 nối qua điện trở gây sụt áp điện trở Suy ta chọn R= k - Tín hiệu xung lúc khoảng 1.1v cấp trực tiếp vào chân số cuả PC817.optoPC817 gồm 1led phát quang tran khuếch đại công suất - Led PC phát sáng có xung Colecto PC Điện áp vào làm việc PC lớn 6V Xung điện áp đối xứng kích mở cho IRF3205, IRFP 3250 dẫn dòng làm cho máy biến áp điểm xuất dòng điện cuộn sơ cấp hai nủa chu kỳ + Khi xảy cố tải dòng tăng cắt điện áp cấp cho mạch Page 33 KẾT LUẬN Sau trình thực đồ án 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 Với cố gắng nỗ lực em hoàn thành đồ án theo thời gian Một lần em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt thầy Nguyễn Trường Giang trực tiếp hướng dẫn chúng em việc hoàn thành đồ án Em mong nhận ý kiến nhận xét, góp ý thầy cô bạn để đồ án cúng em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Page 34 ... tử công suất ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, em nhận đồ án môn học với đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu pha công. .. công suất với đặc điểm chủ yếu chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao thay đổi với tốc độ lớn 1.1 Khái niệm nghịch lưu độc lập pha 1.1.1 Nghịch lưu dòng pha Nghịch lưu dòng thiết. .. thị nghịch lưu áp cầu pha 1.3 Phương pháp điều khiển Nghịch Lưu Phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng rộng rãi để điều khiển nghịch lưu pha Có hai phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch