Đang tải... (xem toàn văn)
Bài làm hoàn chỉnh cho bài tập thiết kế bộ nghịch lưu áp mong sẽ giúp đỡ được cho mọi người trong quá trình học tập cũng như công việc. Bài đã có sẵn mô phỏng và hình ảnh chụp cho mạch thực. Cảm ơn mọi người đã tham khảo... Thank
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: 13321 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP PHA - NGUỒN CẤP 12VDC - CÔNG SUẤT 60W - ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ Giảng viên: Lớp: Đồ án – NO5 Nhóm sinh viên: HẢI PHỊNG, 12/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: 13321 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP PHA - NGUỒN CẤP 12VDC - CÔNG SUẤT 60W - ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ Giảng viên: Lớp: Đồ án – NO5 Nhóm sinh viên: HẢI PHÒNG, 12/2019 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ,điện tử công suất đóng vai trò quan trọng hữu ích Đặc biệt việc biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác thông qua mạch công suất ứng dụng rộng rãi.Nhờ có phát triển van bán dẫn cơng suất mà lĩnh vực ngày phát triển Ta phân loại thành dạng biến đổi sau: ACDC (Chỉnh lưu), DC-AC(Nghịch lưu), AC-AC(Điều áp xoay chiều),DC-DC(Điều áp chiều)…Mỗi nhóm có nhiệm vụ chức riêng lĩnh vực cụ thể Với yêu cầu đồ án :”Thiết kế nghịch lưu” điện áp pha từ nguồn 12VDC-220VAC với tần số 50hz.Mạch ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống sinh hoạt Mạch có nhiệm vụ cung cấp nguồn lượng cho tải gặp có điện, hay dùng di chuyển mà có nguồn lượng trực tiếp Phần báo cáo nhóm em chia làm chương chính: - CHƯƠNG I: Giới thiệu điện tử cơng suất van bán dẫn - CHƯƠNG II: Giới thiệu chung nghịch lưu độc lập - CHƯƠNG III: Tính tốn thiết kế mạch thực tế Trong thời gian học tập làm việc em xin cảm ơn bảo tận tình thầy Trần Tiến Lương hỗ trợ, giải đáp thắc mắc em gặp phải Thầy giúp em có thêm kiến thức vô quý báu, hỗ trợ em cơng việc tương lai Song vốn kiến thức hạn chế, tầm nhìn hạn hẹp nên trình làm việc khơng tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận góp ý nhận xét thầy để em hồn thiện tốt đề tài Em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC: CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 1.1.Khái niệm điện tử công suất 1.1.1 Định nghĩa .5 1.1.2 Phân loại ứng dụng: 1.2.Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Đặc tính phần tử bán dẫn công suất .6 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP .8 2.1.Các khái niệm 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Sực khác nghịch lưu độc lập nghịch lưu phụ thuộc 2.1.3 Phân loại nghịch lưu độc lập 2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp 2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp pha + Chức năng: .9 + Cấu tạo: 10 + Nguyên lý làm việc: .10 CHƯƠNG III .12 TÍNH TỐN VÀ THẾT KẾ MẠCH 12 3.1.Tính tốn thiết kế mạch động lực 12 3.1.1 Tính tốn máy biến áp 12 3.1.2 Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch 12 3.1.3 Nguyên lý mạch động lực .14 3.2.Thiết kế mạch điều khiển 14 3.2.1 Nhiệm vụ chức mạch điều khiển 14 3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 15 3.2.3 Mô mạch điện 18 3.2.4 Kết mạch 18 3.2.5 Kết luận 19 Tư liệu tham khảo 20 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 1.1.Khái niệm điện tử công suất 1.1.1 Định nghĩa Điện tử công suất chuyên ngành nghiên cứu phương pháp thiết bị điện tử có cơng suất lớn với thuật toán điều khiển nhằm biến đổi điều khiển lượng điện Hình 1.1 Sơ đồ chung biến đổi cơng suất Hình 1.2 Đối tượng nghiên cứu điện tử công suất 1.1.2 Phân loại ứng dụng: Điện xoay chiều thành điện chiều: Các Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị dòng điện chiều đầu hay không Điện chiều thành điện xoay chiều: Các Nghịch lưu (Inverter) Các nghịch lưu có khả biến dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp tần số thay đổi tuỳ vào luật đóng mở van bán dẫn Điện chiều thành điện chiều: Các Băm xung chiều (còn có tên Điều áp chiều, biến đổi điện áp chiều ( DC to DC converter, DC chopper) Các biến đổi biến dòng điện chiều có giá trị cố định thành dòng điện chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các Biến tần (Frequency Drive) trực tiếp (Cycloconverter) gián tiếp (Inverter) Các biến tần có khả biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp tần số cố định lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp tần số điều khiển theo ý muốn 1.2.Các phần tử bán dẫn công suất 1.2.1 Đặc tính phần tử bán dẫn cơng suất + Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng sơ đồ biến đổi khóa điện tử, gọi van bán dẫn Khi mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa ngắt tải khỏi nguồn, khơng cho dòng điện chạy qua Để đóng cắt dòng điện lớn van bán dẫn lại điều khiển tín hiệu cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử cơng suất nhỏ + Đặc tính phần tử bán dẫn công suất : - Các van bán dẫn làm việc chế độ khóa, mở cho dòng chạy qua có điện trở tương đương nhỏ, khóa khơng cho dòng chạy qua có điện trở tương đương lớn Nhờ tổn hao cơng suất q trình làm việc điện tích dòng điện chạy qua với điện áp rơi phần tử có giá trị nhỏ - Các van bán dẫn dẫn dòng theo chiều phần tử đặt điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử có giá trị nhỏ, cỡ mA, gọi dòng rò - Về khả điều khiển, van bán dẫn phân loại thành: - Van không điều khiển Diode - Van có điều khiển : Điều khiển khơng hồn tồn, Thysitor, Triac Điều khiển hồn tồn, MOSFET, IGBT,GTO CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 2.1.Các khái niệm 2.1.1 Khái niệm - Nghịch lưu độc lập thiết bị biến đổi dòng điện chiêu thành dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi làm việc với phụ tải độc lập - Nguồn chiều thông thường điện áp chỉnh lưu, acquy nguồn chiều độc lập khác Nghịch lưu động lập sử dọng rộng rãi lĩnh vực cung cấp điện (từ nguồn độc lập Acquy), hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyển tải điện năng, luyện kim… 2.1.2 Sực khác nghịch lưu độc lập nghịch lưu phụ thuộc a) Nghịch lưu phụ thuộc biến đổi lượng chiều (DC) thành lượng xoay chiều (AC), tần số điện áp dòng điện xoay chiều tần số khơng thể thay đổi lưới điện Hơn hoạt động nghịch lưu phải phụ thuộc vào điện áp lưới tham số điều chỉnh góc điều khiển α xác định theo tần số pha lưới điện xoay chiều b) Nghịch lưu độc lập hoạt động với số mạch điều khiển định thay đổi tùy ý, tức độc lập với lưới điện 2.1.3 Phân loại nghịch lưu độc lập a Nghịch lưu điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất điện áp lưới: - Nghịch lưu điện áp pha - Nghịch lưu điện áp pha b Nghịch lưu dòng điện, cho phép biến đổi nguồn dòng chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều : - Nghịch lưu dòng pha - Nghịch lưu áp pha 2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp 2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp pha + Chức năng: thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý + Đặc điểm: Bộ nghịch lưu áp pha cung cấp nguồn áp chiều có trở kháng nhỏ, điện áp U khơng chịu ảnh hưởng biến thiên dòng điện qua Điện áp vào chiều chuyển mạch để tạo nên điện áp xoay chiều U’( với tần số tùy ý) Để nghiên cứu nghịch lưu áp cách tổng quát ta giả thiết tải dòng xoay chiều lý tưởng, nghĩa dòng điện tải I’ hình sin Có ba loại nghịch lưu pha: - Bộ nghịch lưu có máy biến áp điểm - Bộ nghịch lưu phân áp vào điện dung - Bộ nghịch lưu cầu Hai nghịch lưu đầu cần hai khóa chuyển mạch phải có điểm phía xoay chiều phía vào chiều, nghịch lưu cầu cần bốn khóa chuyển mạch Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Điện áp nghịch lưu áp điều chế theo cách khác để giảm sóng điều hòa bậc cao Trước nghịch lưu áp bị hạn chế ứng dụng cơng suất van động lựu điều khiển hoàn toàn nhỏ Hiệu suất biến đổi giảm sử dụng nghịch lưu áp tiristo sơ đồ điều khiển phức tạp Hiện công suất van động lựu như: IGBT,GTO trở nên lớn, kích thước nhỏ gọn, nghịch lưu áp trở thành biến đổi thông dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Trong q trình nghiên cứu ta giả thiết van động lực khóa điện tử lý tưởng, tức thời gian đóng mở khơng, nên điện trở nguồn không + Cấu tạo: Sơ đồ nghịch lưu áp pha mơ tả hình 1.1 sơ đồ gồm bốn van động lực chủ yếu : T1, T2, T3, T4 cácdiode 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 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) Hình sơ đồ nghịch lưu áp pha + Nguyên lý làm việc: Ở nửa chu kì ( -2) cặp van T1,T2 dẫn điện, phụ tải đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp nên điện áp tải U1=E Tại thời điểm 0= 2, T1 T2 bị khóa, đồng thời T3, T4 mở Tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều Ut=-E thời điểm 2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng giữ ngun hướng cũ, T1,T2 bị khóa, nên dòng phải khép mạch qua D3,D4 Suất điện đọng cảm ứng tải trở thành nguồn trả lượng thông qua D3,D4 tụ C Tương tự khóa cặp T3,T4 dòng tải khép mạch qua D1 D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải i(t), dòng qua diot i(D) dòng qua tiristor biểu diễn hình 10 Hình 2.2 đồ thị nghịch lưu áp pha 11 CHƯƠNG III TÍNH TỐN VÀ THẾT KẾ MẠCH 3.1.Tính tốn thiết kế mạch động lực 3.1.1 Tính tốn máy biến áp u cầu biến áp: - Điện áp đầu vào 12V - Điện áp đầu 220V, f=50Hz - Cơng suất 60W Hình 3.1 Biến áp nghịch lưu - Do máy biến áp điểm nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 =24 (V) - Công suất máy biến áp: P= U2.I2 = 60 (W) Trong đó: - P cơng suất máy biến áp - U2 điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp - I2 dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp hiệu suất máy biến áp 3.1.2 Lựa chọn phần tử làm van 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 - Dòng làm việc qua van dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp I = 14,6 A - Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc : 12 - Điệp ngược đặt lên van : Ungmax = Kdc.12 = 24 V - Kdc thường chọn lớn 1,6 - Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V Từ điều khiện ta chọn van : D718 với thông số sau: Hình 3.1.2 Datasheet D718 13 3.1.3 Nguyên lý mạch động lực cặp MOSFET công suất D718 hoạt động khóa điện tử đóng ngắt liên tục với tần số 50Hz phát xung Từ đóng ngắt dòng điện làm dòng từ ắc quy chảy qua cuộn sơ cấp Do có dòng qua cuộn sơ cấp nên bên cuộn thứ cấp xuất sức điện động sinh dòng chảy theo chiều mà ta tạm gọi nửa chu kì dương cuộn thứ cấp L1, điện áp đầu khuyếch đại theo tỷ số vòng dây biến áp Lúc đầu chu kỳ dương Ngược lại chu kỳ âm cuộn L2 phần sơ cấp cấp điện ,điện áp đầu chu kỳ âm tín hiệu Cứ việc đóng mở MOSFET với tần số 50Hz nhờ mạch điều khiển sinh điện áp biến thiên với tần số 50Hz cuộn sơ cấp.Tuy nhiên điện áp có dạng xung vng khơng sin việc đóng mở nguồn chiều 12V tạo xung vuông 3.2.Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1 Nhiệm vụ chức mạch điều khiển + Nhiệm vụ chức mạch điều khiển: Như biết MOSFET van điều khiển hoàn toàn tức điều khiển mở, khóa xung nên mạch điều khiển 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 khóa van nửa chi kì lại Xung điều khiển phải có đủ biên độ lượng để mở khóa van chắn Tạo tần số yêu câu Dễ dàng lắp ráp, thay thế, vận hành tin cậy, ổn định Cách ly với mạch động lực + Yêu cầu độ tin cậy cảu mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy môi trường trường hợp nhiệt độ thay đổi, có từ trường… 14 3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển a, SN74HCOON: Để tạo khối phát xung ta sử dụng mạch SN74HCOON, có thơng số sau: 15 Hình 3.2.2.1 Datasheet SN74HCOON Sơ đồ chân: Chân : C-Timing nối với đầu dương tụ Chân : R-Timing nối với đầu trở 1k Chân : Đầu chung RC Chân : Trạng thái bền Chân : Trạng thái khơng bền Chân : Chân kích khởi âm Chân : GND Chân : Chân kích khởi dương Chân : Thiết lập lại trạng thái ban đầu Chân 10 : Đầu Q không đảo Chân 11 : Đầu Q đảo Chân 12 : Kích khởi lại Chân 13 : Đầu OSC Chân 14 : VCC b, IC LM358: Là mạch khuếch đại thuật toán sử dụng khếch đại riêng biệt: 16 Hình 3.2.2.1 Datasheet LM358 - IC chân điện áp hoạt động :+-1,5Và+-16V Chân đầu khuyếch đại thuật toán A Chân đầu vào đảo khuyếch đại A Chân đầu vào không đảo khuyếch đại A Chân cấp nguồn âm Chân đầu vào không đảo khuyếch đại B Chân đầu vào khuếch đại Chân đầu khuyếch đại thuật toán B Chân cấp nguồn dương - Nguyên lý : IC SN74HCOON đóng vai trò mạch này.IC ni nguồn 12V cung cấp vào chân 14.Qua IC tạo xung dương có giá trị ngược chân đầu Q Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo dao động, để tần số hoạt động 50Hz ta chọn thong số R,C - Linh kiện sử dụng mạch: STT 10 11 12 13 14 Tên linh kiện IC SN74HCOON IC LM358 IC 78L05 MOSFET D718 DIODE 1N4007 TIP41C DIODE ZENNER TỤ 470UF TỤ 47UF TỤ MICA 2A473J TỤ GỐM 104 TRỞ 10K TRỞ 1,2K TRỞ 210K Số lượng 1 2 1 2 2 3.2.3 Mô mạch điện 3.2.4 Kết mạch Mạch chưa cấp nguồn: Mạch nghịch lưu Nguồn vào 12VDC-2A Biến áp 12V5A Tải bóng đèn 220VAC-10W Hình 3.2.4 Mạch nghịch lưu chưa cấp nguồn 12VDC Hình 3.2.3 Sơ đồ mơ mạch nghịch lưu Mạch nghịch lưu cấp nguồn: 3.2.5 Kết luận Điện áp đo qua biến áp Điện áp đo mắc với tải Cơng suất tiêu thụ bóng đèn Dòng qua tải +, Bảng kết thu được: 230VAC 40VAC 20W 0,5A - Mạch hoạt động tốt - Có tiếng kêu bé biến áp - Khi thử với tải bóng đèn, bóng sáng tốt - Mosfet hoạt động tốt, khơng bị nóng + Ưu điểm: - Hoạt động tốt với tải cơng suất nhỏ Hình 3.2.4.1 Mạch nghịch lưu cấp nguồn 12VAC + Nhược điểm: - Mạch phức tạp - Điện áp cấp vào tải bị sụt áp lớn - Biến áp lớn cho cơng suất mạch nhỏ Tư liệu tham khảo Điện tử công suất: NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT - VÕ MINH CHÍNH (CHỦ BIÊN) - PHẠM QUỐC HẢI - TRẦN TRỌNG MINH Website: - https://text.123doc.org - https://doc.edu.vn - http://timtailieu.vn