Thiết kế bộ nghịch lưu áp một pha, biến đổi từ 12VDC220VDC

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 1

MÃ HỌC PHẦN: 13321

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA

- NGUỒN CẤP 12VDC

- CÔNG SUẤT 60W

- ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ

Giảng viên:

Nhóm sinh viên:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN 1

MÃ HỌC PHẦN: 13321

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA

- NGUỒN CẤP 12VDC

- CÔNG SUẤT 60W

- ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ

Giảng viên:

Nhóm sinh viên:

HẢI PHÒNG, 12/2019 LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ đang phát triển mạnh mẽ,điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quan trọng và hữu ích Đặc biệt là việc biến đổi những năng lượng từ dạng này sang dạng khác thông qua các mạch công suất được ứng dụng hết sức rộng rãi.Nhờ có sự phát triển của các van bán dẫn công suất mà lĩnh vực này ngày càng phát triển Ta có thể phân loại thành các dạng biến đổi như sau:

AC-DC (Chỉnh lưu), AC-DC-AC(Nghịch lưu), AC-AC(Điều áp xoay chiều),AC-DC-AC-DC(Điều

áp một chiều)…Mỗi nhóm trên đều có nhiệm vụ và chức năng riêng của mình trong từng lĩnh vực cụ thể

Với yêu cầu của đồ án :”Thiết kế bộ nghịch lưu” điện áp một pha từ nguồn 12VDC-220VAC với tần số 50hz.Mạch này được ứng dụng cực kì rộng rãi trong lĩnh vực đời sống và sinh hoạt Mạch có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho tải khi gặp sự có mất điện, hay được dùng khi di chuyển mà có nguồn năng lượng trực tiếp

Phần báo cáo của nhóm em được chia làm 3 chương chính:

- CHƯƠNG I: Giới thiệu về điện tử công suất và các van bán dẫn

- CHƯƠNG II: Giới thiệu chung về nghịch lưu độc lập

- CHƯƠNG III: Tính toán và thiết kế mạch thực tế

Trong thời gian học tập và làm việc em xin cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy Trần Tiến Lương đã hỗ trợ, giải đáp các thắc mắc khi em gặp phải Thầy đã giúp em có thêm được những kiến thức vô cùng quý báu, hỗ trợ em trong công việc tương lai Song vốn kiến thức còn hạn chế, tầm nhìn hạn hẹp nên trong quá trình làm việc không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em mong nhận được sự góp ý và nhận xét của thầy để em có thể hoàn thiện tốt nhất đề tài của mình

Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC:

CHƯƠNG I 5

GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU 5

1.1.Khái niệm về điện tử công suất 5

1.1.1 Định nghĩa 5

1.1.2 Phân loại và ứng dụng: 6

1.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản 6

1.2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất 6

CHƯƠNG II 8

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 8

2.1.Các khái niệm cơ bản 8

2.1.1 Khái niệm 8

2.1.2 Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc 8

2.1.3 Phân loại nghịch lưu độc lập 8

2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp 9

2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha 9

+ Chức năng: 9

+ Cấu tạo: 10

+ Nguyên lý làm việc: 10

CHƯƠNG III 12

TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ MẠCH 12

3.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực 12

3.1.1 Tính toán 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 và chức năng của mạch điều khiển 14

3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 15

3.2.3 Mô phỏng mạch điện 18

3.2.4 Kết quả 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 về điện tử công suất

1.1.1 Định nghĩa

Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các thiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và điều khiển năng lượng điện

Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất

Hình 1.2 Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất

1.1.2 Phân loại và ứng dụng:

Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không

Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter) Các

bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dòng điện xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các van bán dẫn

Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (còn

có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter,

DC chopper) Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố định thành dòng điện một chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển được

Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (Frequency Drive) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter) Các bộ biến tần có khả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp và tần số cố định của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp và tần số điều khiển được theo ý muốn

1.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản

1.2.1 Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất

+ Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn Khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua Để đóng cắt các dòng điện lớn thì các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ

+ Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :

- Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng chạy qua thì

có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc bằng điện tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị rất nhỏ

- Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò

- Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:

- Van không điều khiển như Diode

- Van có điều khiển : Điều khiển không hoàn toàn, như Thysitor, Triac Điều khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP

2.1.Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Khái niệm

- Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiêu thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập

- Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn một chiều độc lập khác Nghịch lưu động lập được sử dọng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như Acquy), các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyển tải điện năng, luyện kim…

2.1.2 Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc.

a) Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng

lượng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là tần số không thể thay đổi của lưới điện Hơn nữa sự hoạt

động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện xoay chiều đó

b) Nghịch lưu độc lập hoạt động với tấn số ra do mạch điều khiển quyết định và

có thể thay đổi tùy ý, tức là 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 một chiều E thành nguồn điện

áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới:

- Nghịch lưu điện áp 1 pha

- Nghịch lưu điện áp 3 pha

b Nghịch lưu dòng điện, cho phép biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng điện xoay chiều :

- Nghịch lưu dòng 1 pha

- Nghịch lưu áp 3 pha

2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp

2.2.1 Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha

+ Chức năng: là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý

+ Đặc điểm:

Bộ nghịch lưu áp một pha được cung cấp bằng nguồn áp một chiều có trở kháng rất nhỏ, do đó điện áp U không chịu ảnh hưởng của biến thiên dòng điện qua

nó Điện áp vào một chiều được chuyển mạch để tạo nên điện áp ra xoay chiều U’( với tần số tùy ý)

Để nghiên cứu các bộ nghịch lưu áp một cách tổng quát ta giả thiết tải dòng xoay chiều là lý tưởng, nghĩa là dòng điện tải I’ là hình sin

Có ba loại bộ nghịch lưu một pha:

- Bộ nghịch lưu có máy biến áp điểm giữa

- Bộ nghịch lưu phân áp vào điện dung

- Bộ nghịch lưu cầu

Hai bộ nghịch lưu đầu chỉ cần hai khóa chuyển mạch nhưng phải có một điểm giữa ở phía ra xoay chiều hoặc ở phía vào một chiều, trong khi đó bộ nghịch lưu cầu cần bốn khóa chuyển mạch

Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế Điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo các cách khác nhau để giảm sóng điều hòa bậc cao

Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lựu điều khiển hoàn toàn nhỏ Hiệu suất của bộ biến đổi giảm do sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo và sơ đồ điều khiển phức tạp

Hiện nay công suất các van động lựu như: IGBT,GTO trở nên lớn, kích thước nhỏ gọn, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp

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

+ Cấu tạo:

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.1 sơ đồ gồm bốn van động lực chủ yếu là : T1, T2, T3, T4 và cácdiode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải 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 hai chiều ( nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều) Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của

tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp ( giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, và điện áp đầu vào được san phẳng)

Hình 2 1 sơ đồ nghịch lưu áp một pha

+ Nguyên lý làm việc:

Ở nửa chu kì đầu tiên (-2) cặp van T1,T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U1=E Tại thời điểm 0=2, T1

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 Ut=-E tại thời điểm 2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ, T1,T2 đã bị khóa, nên dòng phải khép mạch qua D3,D4 Suất điện đọng cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3,D4 về tụ C

Tương tự như vậy khi khóa cặp T3,T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2

Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải i(t), dòng qua diot i(D) và dòng qua tiristor được biểu diễn trên hình dưới đây

Hình 2.2 đồ thị nghịch lưu áp một pha

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ MẠCH 3.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực

3.1.1 Tính toán máy biến áp

Yêu cầu biến áp:

- Điện áp đầu vào 12V

- Điện áp đầu ra 220V, f=50Hz

- Công suất 60W

Hình 3.1 Biến áp nghịch lưu

- 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 = 60 (W)

Trong đó:

- P là công suất 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

3.1.2 Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch

Ta lựa chọn MOSFET vì có những ưu điểm sau:

- Tốc độ chuyển mạch cao và 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 bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến

áp I = 14,6 A

- Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là :

- Điệp ngược đặt lên van : Ungmax = Kdc.12 = 24 V

- Kdc thường được chọn lớn hơn 1,6

- Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V

Từ các điều khiện trên ta chọn van : D718 với các thông số sau:

Hình 3.1.2 Datasheet D718

3.1.3 Nguyên lý mạch động lực

4 cặp MOSFET công suất D718 hoạt động như một khóa điện tử đóng ngắt liên tục với tần số 50Hz của bộ phát xung Từ sự đóng ngắt này dòng điện làm dòng chính từ ắc quy chảy qua cuộn sơ cấp Do có dòng qua cuộn sơ cấp nên bên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện 1 sức điện động sinh ra dòng chảy theo 1 chiều nào đó mà ta tạm gọi là nửa chu kì dương của cuộn thứ cấp L1, điện áp ở đầu ra được khuyếch đại theo tỷ số vòng dây của biến áp Lúc này đầu ra là chu kỳ dương Ngược lại ở chu kỳ âm cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện ,điện áp đầu ra là chu kỳ âm của tín hiệu Cứ như thế việc đóng mở MOSFET với tần số 50Hz nhờ mạch điều khiển sẽ sinh ra điện áp biến thiên với tần số 50Hz ở cuộn sơ cấp.Tuy nhiên điện áp này sẽ có dạng xung vuông không sin vì việc đóng mở nguồn 1 chiều 12V chỉ tạo ra được các xung vuông

3.2.Thiết kế mạch điều khiển

3.2.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển

+ Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển:

Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển

mở, khóa bằng xung nên mạch điều khiển có các chức năng sau :

Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên colector và emitor của van

Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khóa van trong nửa chi kì còn lại

Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở khóa van chắc chắn

Tạo ra được tần số yêu câu

Dễ dàng lắp ráp, thay thế, vận hành tin cậy, ổn định

Cách ly với mạch động lực

+ Yêu cầu về độ tin cậy cảu mạch điều khiển :

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

3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển

a, SN74HCOON:

Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng mạch SN74HCOON, có các thông số sau:

Sơ đồ chân:

Chân 1 : C-Timing được nối với đầu dương của tụ

Chân 2 : R-Timing được nối với 1 đầu của trở 1k

Chân 3 : Đầu chung của RC

Chân 4 : Trạng thái bền

Chân 5 : Trạng thái không bền

Chân 6 : Chân kích khởi âm

Chân 7 : GND

Chân 8 : Chân kích khởi dương

Chân 9 : Thiết lập lại trạng thái ban đầu

Chân 10 : Đầu ra Q không đảo

Chân 11 : Đầu ra Q đảo

Chân 12 : Kích khởi lại

Chân 13 : Đầu ra OSC

Chân 14 : VCC

b, IC LM358:

Là mạch khuếch đại thuật toán sử dụng 2 bộ khếch đại riêng biệt:

- IC 8 chân điện áp hoạt động :+-1,5Và+-16V

Chân 1 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán A

Chân 2 đầu vào đảo bộ khuyếch đại A

Chân 3 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại A

Chân 4 cấp nguồn âm

Chân 5 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại B

Chân 6 đầu vào bộ khuếch đại

Chân 7 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán B

Chân 8 cấp nguồn dương

- Nguyên lý :

IC SN74HCOON đóng vai trò chính trong mạch này.IC này được nuôi bằng nguồn 12V cung cấp vào chân 14.Qua IC này tạo ra được 2 xung dương

có giá trị ngược nhau tại 2 chân đầu ra Q và Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo dao động, để tần số hoạt động là 50Hz ta chọn thong số R,C

- Linh kiện sử dụng trong mạch:

STT Tên linh kiện Số lượng

3.2.3 Mô phỏng mạch điện

3.2.4 Kết quả mạch

Mạch khi chưa được cấp nguồn:

Tải bóng đèn 220VAC-10W

Biến áp 12V-5A

Mạch nghịch lưu

Hình 3.2.4 Mạch nghịch lưu khi chưa cấp nguồn 12VDC

Nguồn vào 12VDC-2A

Mạch nghịch lưu khi được cấp nguồn:

3.2.5 Kết luận

Điện áp ra đo được qua biến áp 230VAC

Điện áp ra đo được khi mắc với tải 40VAC

Công suất tiêu thụ của bóng đèn 20W

+, Bảng kết quả thu được:

- Mạch hoạt động tốt

- Có tiếng kêu bé của biến áp

- Khi thử với tải bóng đèn, bóng sáng tốt

- 4 Mosfet hoạt động tốt, không bị nóng

+ Ưu điểm:

- Hoạt động tốt với các tải công suất nhỏ

+ Nhược điểm:

- Mạch khá phức tạp

- Điện áp ra khi cấp vào tải bị sụt áp khá lớn

- Biến áp khá lớn nhưng cho công suất mạch còn nhỏ

Hình 3.2.4.1 Mạch nghịch lưu khi được cấp nguồn 12VAC