DTUD

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA TÊN ĐỀ TÀI NGHỊCH LƯU ÁP PHA Thông số : UDC=24V UAC=220V, Iout=1A, f=50Hz, sai lệch điện áp ngõ 2% Đồ án gồm chương: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU ÁP PHA CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI BỘ NGHỊCH LƯU CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TỪNG KHỐI CHƯƠNG 4: KIỂM TRA, ĐO ĐẠC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU I   - - - II Tổng quan nghịch lưu Khái niệm nghịch lưu Nghịch lưu q trình biến đổi dịng điện chiều thành dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi Phân loại nghịch lưu Nghịch lưu phụ thuộc : Nghịch lưu phụ thuộc có tần số điện áp dịng điện xoay chiều tần số thay đổi lưới điện Sự 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 Nghịch lưu độc lập : Nghịch lưu độc lập hoạt động tần số mạch điều kiển định thay đổi tùy ý, tức độc lập với lưới điện Nghịch lưu độc lập chia làm loại: Nghịch lưu độc lập điện áp: Cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện xoay chiều có tính chất điện áp lưới Trạng thái khơng tải cho phép cịn trạng thái ngắn mạch tải cố Van bán dẫn nghịch lưu độc lập điện áp hoạt động tác động suất điện động chiều E, thích hợp van điều khiển hoàn toàn: loại transistor, BJT, MOSFET, IGBT Nghịch lưu độc lập dòng điện: Biến đổi nguồn dịng chiều thành dịng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm nghịch lưu dòng nguồn chiều cấp điện cho biến đổi phải nguồn dịng, điện cảm đầu vào Ld thường có giá trị lớn vơ để dòng điện liên tục Nghịch lưu độc lập cộng hưởng: Có đặc điểm hoạt động ln hình thành mạch vịng dao động cộng hưởng RLC Với nghịch lưu độc lập dòng điện nghịch lưu độc lập cơng hưởng, tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thysistor nên chúng thường dùng Cấu tạo nguyên lý Nghịch lưu độc lập điện áp pha Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp pha mô tả sơ đồ hình 1.1 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng 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) ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA Như tụ C thực việc tiếp nhận công suất phản kháng tải, đồng thời tụ C đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn áp Hình 1.1: Sơ đồ nghịch lưu cầu pha Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ đầu (2) cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp lên điện áp tải Ut = E, hướng dòng điện đường nét đậm Tại thời điểm 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 U t = - E thời điểm Do tải mang tính trở cảm nên dịng giữ ngun hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khóa 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) Tương tự chu kỳ khóa cặp T, T dịng tải khép mạch qua D1 D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua diode iD dịng qua thyristor biểu diễn hình 1.2 Hình 1.2: Đồ thị nghịch lưu áp cầu pha Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt kích thước lọc Nguyên lý phương pháp nghiên cứu phần sau Ưu điểm nhược điểm nghịch lưu độc lập điện áp  Ưu điểm  Điều chỉnh tần số f  Điên áp nghịch lưu dùng phương pháp khác để giảm sóng hài bậc cao  Các van sử dụng van điều khiển hồn tồn dễ dàng điều khiển đóng cắt van  Cơng suất biến đổi phụ thuộc vào công suất van, mà công suất van động lực ngày lớn với kích thước ngày nhỏ gọn  Nhược điểm  Số lượng van sử dụng nhiều  Điện áp có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện Trang Hình 1.3: Các sóng hài bậc cao Bộ nghịch lưu độc lập dòng pha  Cấu tạo: Hình 1.4: Sơ đồ nghịch lưu cầu pha Điện áp xoay chiều chỉnh lưu thành chiều nhờ chỉnh lưu có điều khiển, điện áp chiều sau chỉnh lưu đưa qua cuộn kháng lọc Cuộn kháng lọc có tác dụng biến nguồn điện sau chỉnh lưu thành nguồn dòng để cung cấp cho mạch nghịch lưu Đối với nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn điện chiều thực tế không đổi, không phụ thuộc vào tượng nghịch lưu khoảng làm việc trước Trong thực tế nghịch lưu nguồn dịng cung cấp nguồn điện chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn, điều cho phép làm thay đổi điện áp nghịch lưu  Nguyên lý làm việc: Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển đưa vào đơi thyristor T1 , T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đơi T3, T4 góc 1800 Trang Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld = ∞ dòng điện đầu vào 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 = số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ sau dịng qua tải tăng lên Sau nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4 Cặp T3, T4 mở tạo q trình phóng điện tụ C từ cực “+” cực “-” Dịng phóng ngược chiều với dòng qua T T2 làm cho T1 T2 bị khóa lại Hình 1.5: Giản đồ xung nghịch lưu cầu pha Quá trình chuyển mạch xảy gần tức thời Sau tụ C nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” bên phải cực tính “-” bên trái, dòng nghịch lưu iN = id = Id đổi dấu Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T1, T2 T3, T4 bị khóa lại q trình lặp lại trước Như chức tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho thyristor Ở thời điểm t1, mở T3 T4, thyristor T1 T2 bị khóa lại điện áp ngược tụ C Khoảng thời gian trì điện áp ngược t1 + t1’ cần thiết để trì q trình khóa phục hồi tính chất điều khiển van t1 - t1’ = tk toff ; toff thời gian khóa thyristor thời gian phục hồi tính chất điều khiển Trong : tk = góc khóa nghịch lưu Trang  Ưu điểm:  Có khả vượt qua cố chuyển mạch tự phục hồi trạng thái làm việc bình thường  Có khả hãm tái sinh trả lượng lưới đảo dấu cực tính điện áp chiều chiều dịng điện khơng đổi chiều Vì khơng cần u cầu thêm chỉnh lưu đảo chiều điện áp Sự làm việc động độ trượt âm tự động đảo dấu điện áp chiều dịng điện chiều đại lượng điều khiển Do nghịch lưu nguồn dòng lượng tự động nghịch lưu trả lưới  Nhược điểm:  Không thể làm việc chế độ khơng tải  Kích thước tụ điện điện cảm lọc nguồn chiều lớn Các tụ chuyển mạch phải có trị số lớn cần thiết để thu nhận lượng cuộn dây stator chuyển mạch  Để đảm bảo lượng phản kháng tối thiểu động phải thiết kế cho điện cảm tản nhỏ Điều làm tăng mức giá động Nghịch lưu cộng hưởng Đặc điểm nghịch lưu cộng hưởng trình chuyển mạch van dựa vào tượng cộng hưởng Giá trị điện cảm khơng lớn nghịch lưu dịng (Ld= ∞) khơng nhỏ nghịch lưu áp (Ld= 0), mà chiếm vị trí trung gian cho kết hợp với điện cảm tải Lt tụ điện C mạch xuất dao động Nghịch lưu cộng hưởng song song Hình 1.6: Nghịch lưu cộng hưởng song song giản đồ xung Xét sơ đồ hình 1-10, t=0 cặp van T1, T2 mở Tụ C nạp qua mạch (+) → Ld → T1 → Zt → T2 → (-) Dịng nạp cho tụ có dạng hình sin dao động cộng hưởng Tại thời điểm dịng qua tải giảm khơng T1 T2 bị khoá lại Trong khoảng thời gian từ đến tất thyristor bị khóa lại Lt = Điện áp T1, T2 nửa điện áp tụ Uc điện áp nguồn E Điện áp tụ khoảng thời gian ÷ phải lớn nguồn E đảm bảo khóa T1 T2 chắn Tại thời điểm cặp van Trang T3 T4 mở Điện áp T1 T2 điện áp nghịch lưu tụ C đặt lên (= Uc), tụ nạp theo chiều ngược lại đảo dấu Dòng nạp tụ C mang tính dao động giảm khơng thời điểm Lúc T3 T4 khóa lại Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp Sơ đồ gồm cuộn dây L1, L2 quấn lõi thép để tạo tượng cảm ứng, tụ C mắc nối tiếp với tải Các giá trị L1, L2, C Rt chọn cho dòng qua thyristor dịng dao động Hình 1.7: Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp sơ đồ thay  Nghịch lưu nối tiếp có ba chế độ làm việc:  Chế độ khóa tự nhiên: f0 > f, dịng qua T1 giảm không sau thời gian mở T2, chế độ tương tự chế độ làm việc nghịch lưu song song  Chế độ giới hạn: f0 = f dịng qua T1 giảm khơng T2 mở chế độ đảm bảo dòng tải it điện áp tải Ut hình sin  Chế độ chuyển mạch cưỡng bức: f0 < f T1 cịn chưa khóa kích xung mở cho T2 Nghịch lưu nối tiếp làm việc chế độ tượng cảm ứng hai cuộn L1 L2 Khi T1 dẫn mở cho T2, dịng phóng qua tụ C qua L2 T2 gây nên tượng cảm ứng cuộn L2 Sức điện động có có dấu chống lại tăng dòng, tức (+) bên trái (-) bên phải Do L1 L2 quấn lõi thép nên sức điện động cảm ứng lên L1 Các tham số chọn cho Ut < nên T1 bị khóa lại Nghịch lưu chủ yếu làm việc hai chế độ Nghịch lưu nối tiếp làm việc với dải phụ tải thay đổi tương đối rộng Để giữ cho điện áp tải không đổi phụ tải thay đổi, thay đổi tần số xung điều khiển f Chế độ f > f0 chế độ mà nghịch lưu cộng hưởng làm việc chế độ nghịch lưu dòng điện Trang Cải thiện điện áp cho nghịch lưu độc lập điện áp - Nếu tải khơng địi hỏi dạng áp hình sin không cần quan tâm đến loc Tuy nhiên với tải xoay chiều thiết kế chế tạo để làm việc với nguồn điện áp hình sin (như động điện, máy biến áp lực ) cần phải cải thiện dạng điện áp theo yêu cầu tải Có số phương pháp sau sử dụng: Dùng lọc tần số thụ động với dòng tải lớn điện áp cao lọc phải thực phần tử thụ động L C, điều dẫn đến tổn thất công suất tránh khỏi làm giảm hiệu suất hệ thống, mặt khác tăng đáng kể kích thước thiết bị Hơn hiệu lọc tần lọc thụ động không cao Phương pháp cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc pha lệch tần số khác Phương pháp thực đơn giản, van hoạt động nhẹ nhàng tần số chuyển mạch thấp, mạch động lực, mạch điều khiển phức tạp Phương pháp băm xung chọn lọc khoảng van dẫn: van không đóng mở nhiều lần phương pháp điều chế PWM mà thường 10 lần Phương pháp phù hợp sử dụng van khơng có khả làm việc tần số cao GTO, IGBT hay thysistor (có kèm chuyển mạch cưỡng bức) Phương pháp điều chế PWM: khoảng dẫn van, transistor khơng dẫn liên tục mà đóng cắt nhiều lần với độ rộng xung dẫn thay đổi Ưu điểm kỹ thuật là: Các thành phần điều hòa điện áp dòng điện bị đẩy sang phía tần số cao, dễ lọc Cho phép thay đổi điện áp sơ đồ có hai khóa chuyển mạch pha Kỹ thuật PWM liên quan chặt chẽ đến biến đổi điện tử cơng suất góp phần làm giảm tổn hao chuyển mạch, tăng tần số làm việc chúng  Kết luận: Từ phân tích trên, nhóm chúng tơi thực thiết kế mạch nghịch lưu pha nguồn Trang Chương 2: Phân tích mạch nghịch lưu áp pha I Sơ đồ khối Khối tạo xung 50Hz Mạch tạo xung cưa Mạch điều khiển Mạch phản hồi Tải Biến áp 220V Mạch cầu H Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch nghịch lưu áp pha Trong đề tài chia thành khối chức cần thiết kế sau: - Khối tạo xung 50Hz Khối cưa: Tạo xung cưa Khối điều khiển: Điều biến độ rộng xung Khối cầu H: Biến áp chiều thành xoay chiều Khối biến áp: Nâng áp lên 220V Khối phản hồi: Lấy mẫu điện áp, ổn định điện áp đầu II Sơ đồ mạch Khối tạo xung 50Hz Hình 2.2: IC555 Trang 10 Hình 2.7: Sơ đồ mạch tạo xung cưa Nguyên lí hoạt động: - Tụ C3 nạp dịng điện IE(Q1,Q3) khơng đổi nên điện áp tụ tăng tuyến tính- Thời gian nạp tụ C phụ thuộc vào điện áp tham chiếu chân B Q 1, VBE(Q1), điện trở R3 + RV1 điện dung tụ C3 Thời gian nạp tụ C phụ thuộc vào điện áp tham chiếu chân B Q3, VBE(Q3), điện trở R5 + RV2 điện dung tụ C4 Hình 2.8: Giản đồ xung mạch - Ngõ IC 7474 kích cho Q , Q6 dẫn bão hòa xả điện áp tụ C 3, C4 thật nhanh gần thẳng đứng - Công thức tính tốn xung cưa: Trang 15 điện áp đỉnh xung I0 : Dòng nạp nguồn dòng C : Điện dung tụ nạp mạch nguồn dịng Mạch điều khiển Ngun lí hoạt động: - Xung cưa lấy từ ngõ tụ mạch cưa đưa vào ngõ vào không đảo LM339 - Xung cưa đem so sánh với điện áp nạp tụ điện C đưa xung kích đầu chân để kích cầu H - Cặp BJT Q8, Q7 Q2, Q4 dùng để nạp xả tụ kí sinh chân G FET, làm mạch kích FET tốc độ cao Hình 2.9: Giản đồ xung mạch hình dưới: Mạch nửa cầu Trang 16 Hình 2.10: Mạch nửa cầu Nguyên lí hoạt động - MosFET Q9 Q10 dẫn xen kẽ nhờ vào xung kích FET từ mạch điều khiển - Điện áp hiệu dụng AC ngõ ra: (V) - Dòng điện hiệu dụng AC ngõ ra: (A) - Dạng sóng điện áp ngõ ra: Trang 17 Hình 2.11: Dạng sóng điện áp ngõ Mạch phản hồi Hình 2.12: Sơ đồ mạch phản hồi Nguyên lí hoạt động: - Điện áp đầu ra biến áp TR1 đưa vào TR2 để giảm áp Sau qua cầu Diode BR1 tụ lọc C6 để biến điện áp xoay chiều thành chiều - Tiếp theo điện áp đưa qua cầu phân áp R12 R13 so sánh với điện áp chuẩn biến trở RV3 để kích nạp xả tụ C5 mạch điều khiển Qua điều chỉnh độ rộng xung đầu mạch điều khiển ổn định điện áp đầu nghịch lưu Sơ đồ mạch tổng thể: Trang 18 Hình 2.13: Sơ đồ mạch tổng thể Trang 19 Chương Tính tốn thiết kế mạch nghịch lưu I Khối tạo xung 50Hz Sơ đồ mạch Hình 3.1: Sơ đồ khối tạo xung Thiết kế mạch tạo xung 100Hz dùng IC555 Chọn IC555 NE555P • Nguồn cung cấp : Vcc=5V • Dịng tiêu thụ trung bình : Itb = 10mA • Cơng suất tiêu tán: 600mW Thời gian tồn xung thời gian nạp xả tụ C2 Chọn C2 = 1uF Thời gian nạp xả tụ C2 là: T = ln2.C2.(R1 + 2R2) Chọn R1 = 10k, R2 = 2,2k Dòng nạp tối đa tụ R2 Công suất tiêu tán R2: PR2 = IR22.R2 = 5mW Dòng nạp tối đa R1 Trang 20 Công suất tiêu tán R1: PR1 = IR12.R2 = 1mW Chọn R1 = 10k/0,25W, R2 = 2,2k/0,25W Thiết kế mạch chia xung 100Hz thành 50Hz Ta sử dụng D-Flipflop để chia đôi tần số - Tần số 50Hz - Dạng sóng ngõ lệch 1800 - Sơ đồ dạng sóng D-FF Hình 3.2: Dạng sóng - Chọn D-FF 74HC74 làm chia tần số với thông số sau - Dải điện áp: -0.5V - 7V - Dòng điện đầu vào: Ilk: 20mA - Dòng điện đầu ra: Iok: 20mA - Dòng điện hoạt động: 100mA - Dòng điện katot: - 100mA - Dải nhiệt độ hoạt động: -650C – 1500C - Công suất ổn định: 500mW II Thiết kế mạch cưa Sơ đồ mạch Trang 21 Hình 3.3: Sơ đồ mạch cưa Thiết kế mạch cưa Vì mạch cưa giống nên ta tính tốn thiết kế cho mạch Chọn Q3 A1015 với thơng số sau Mạch nguồn dịng ta có cơng thức tính: Chọn xung cưa có đỉnh 10V nạp thời gian 0,01s Chọn tụ C4 = 4.7uF I0 = 4,7 mA = IC(Q3) IE(Q3) =IC(Q3)/ IC(Q3) = 4,7 mA Điện áp chân B Q3 là: VB(Q3) = 12 – 0,7x3 = 9,9V Điện áp đầu R5 RV2 là: UR5+RV2 = 10,6V Mà IC(Q3) = UR5+RV2/(R5 + RV2) R5 + RV2 = 2255 Chọn R5 = 560, RV2 = 2k Công suất tiêu tán PR5 = I02.R5 = 0,012W Chọn R5 = 560k/0,25W Công suất tiêu tán tối đa PRV2 = I02.RRV2 = 0,04W Tính chọn R6 dựa vào diode D6, D7, D8: IB(Q3) < ID6,7,8 < 10mA Trang 22 Với IB(Q3) = IC(Q3)/ = 23,5 R6 = 2,2k Chọn R20 nhỏ để kích xả tụ nhanh, R20 = 56 Phương trình xả tụ C4: với = C4.R20= 0,0002632 Thời gian để tụ C4 xả 3V: t= 0,32ms Thời gian để tụ C4 hết: t=5 = 1,3ms Dòng xả Q6 kích dẫn: ICQ6 = IC4 + I0 = (10-0,2)/56 + 4,7.10-3 = 0,1797 A Công suất tiêu tán Q6: P = IC.UCE = (IC4 + I0) UCE = 0.2.0,1797 = 0,036 mW Chọn Q6 2N2222 với thông số sau: VCemax = 40V, PD = 625 mW, ICmax = 600 mA Tính chọn R8: Vout(7474) = 3,5V Chọn Iout(7474) = 5mA R8 = Vout/Iout = 700 Chọn R8 = 680 Trang 23 III Mạch điều khiển Sơ đồ mạch Hình 3.4: Sơ đồ mạch điều khiển Trang 24 Tính tốn thiết kế Khi ngõ vào cưa lớn điện áp tụ mạch so sánh LM339 ngõ chân LM339 hình Hình 3.5: Sơ đồ dạng sóng LM339 cho mức điện áp cưa lớn điện áp tụ C5 Ta chọn thời giản mở cặp FET 70% Tính chọn R9, R10, C5: Do mạch phản hồi có LM339 u cầu dịng điện xả từ tụ từ nguồn 3,3V qua LM339 phải nhỏ 7mA nên ta có Itu + Inguon < 7mA Lấy R10 = R9 để tiện cho việc tính toán nên R9 = R10 > 942 Chọn R9 = R10 = 2,2k Để việc nạp xả tụ diễn nhanh việc phản hồi điện áp so sánh để điều chỉnh điện áp đầu ổn định nhanh ta chọn C5 = 1uF Diode D9 R11 dùng cho việc xả tụ C5 nguồn Chọn D9 1N4007 R11 = 2,2k Tính chọn R16, R17 Dòng điện từ nguồn 12V qua R 16, R17tiếp đến LM339 ngõ LM339 mức logic phải nhỏ 7mA nên: nên ta chọn R16, R17 = 3300 Trang 25