[123doc] - thiet-ke-bo-nghich-luu-doc-lap-nguon-ap-mot-pha

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Thiết kế nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Giảng viên hướng dẫn : GV NGUYỄN THỊ ĐIỆP Sinh viên thực hiện: BÙI THIÊN KIỀU PHẠM THỊ LINH PHẠM THỊ THANH XUÂN Lớp : D7-CNTD1 Hà Nội, tháng 04 năm 2015 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP I.1 VẤN ĐỀ CHUNG I.1.1.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP I.1.2 MOSFET I.1.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG MOSFET CHƯƠNG II TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC II.1 VAN MẠCH LỰC CHƯƠNG III : TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN GVHD:Nguyễn Thị Điệp CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP I.1 VẤN ĐỀ CHUNG I.1.1.NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP A, Khái niệm Nghịch lưu độc lập thiết bị để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dòng xoay chiều với tần số cố định thay đổi B,Phân loại - - Nghịch lưu độc lập nguồn áp : cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện áp xoay chiều có tính chất điện áp lưới, trạng thái khơng tải cho phép cịn trạng thái ngắn mạch tải cố Nghịch lưu độc lập dòng điện: cho phép nguồn dòng chiều thành nguồn điện xoay chiều Nghịch lưu độc lập cộng hưởng : có đặc điểm hoạt động ln hình thành mạch vòng dao động cộng hưởng RLC Tải nghịch lưu độc lập thiết bị xoay chiều pha ba pha chế tạo thành hai dạng : nghịch lưu độc lập pha nghịch lưu độc lập ba pha C, Các loại van bán dẫn thường dùng - Nghịch lưu độc lập nguồn áp : van điều khiển hoàn toàn transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTO Nghịch lưu độc lập nguồn dòng: van bán điều khiển thyristor D, Một vài ứng dụng nghịch lưu thực tế Được sử dụng rộng rãi lĩnh vực cung cấp điện , điều khiển tốc độ quay động xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim biến đổi nguồn lượng D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp I.1.2 MOSFET A, Cấu tạo Phần Mosfet có cấu trúc hai cực tụ điện Một kim loại phía nối với chân (chân Gate) (G - Gate) cực điều khiển cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn cịn lại lớp điện mơi cực mỏng có độ cách điện cực lớn đioxil-silic (SiO2) Hai cực lại cực gốc (S - Source) cực máng (D - Drain) Cực máng cực đón hạt mang điện Nếu kênh dẫn n hạt mang điện điện tử (electron), cực tính điện áp cực máng dương so với cực gốc Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch D S để điều kiện bình thường khơng có kênh dẫn thực nối D S Cấu trúc bán dẫn MOSFET kênh dẫn kiểu p tương tự lớp bán dẫn có kiểu dẫn điện ngược lại Tuy nhiên đa số MOSFET cơng suất loại có kênh dẫn kiểu n Trong chế độ làm việc bình thường UDS > Giả sử điện áp cực điều khiển cực gốc khơng, UDS = 0, kênh dẫn hồn tồn khơng xuất Giữa cực gốc cực máng tiếp giáp p-n phân cực ngược Điện áp UDS hoàn toàn rơi vùng nghèo điện tích tiếp giáp (hình 2.a) D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp Nếu điện áp điều khiển âm, UDS < 0, vùng bề mặt giáp cực điều khiển tích tụ lỗ (p), dịng điện cực gốc cực máng xuất Khi điện áp điều khiển dương, UDS > đủ lớn bề mặt tiếp giáp cực điều khiển tích tụ điện tử, kênh dẫn thực hình thành.(hình 2.b) Như cấu trúc bán dẫn MOSFET, phần tử mang điện điện tử, giống lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET gọi phần tử với hạt mang điện bản, khác với cấu trúc BJT, IGBT, Thyristor phần tử với hạt mang điện phi Dòng điện cực gốc cực máng phụ thuộc vào điện áp U DS Từ cấu trúc bán dẫn MOSFET (hình 2.c), thấy cực máng cực gốc tồn tiếp giáp p-n - tương đương với diode ngược nối D S Trong sơ đồ biến đổi, để trao đổi lượng tải nguồn thường cần có diode ngược mắc song song với van bán dẫn.Ưu điểm MOSFET có sẵn diode nội B Kí hiệu a Mosfet kênh N b Mosfet kênh P C Đặc tính tĩnh (đặc tuyến VA) D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp Hình 2.4.Đặc tính tĩnh (VA) Khi điện áp điều khiển UDS nhỏ ngưỡng đó, cỡ 3V, MOSFET trạng thái khoá với điện trở lớn cực máng D cực gốc S Khi UGS cỡ - 7V, MOSFET chế độ dẫn Thông thường điều khiển MOSFET điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi D S Khi UDS gần tỷ lệ với dịng ID Đặc tính tĩnh MOSFET tuyến tính hố bao gồm hai đoạn thể hai chế độ khố dẫn dịng Theo đặc tính dịng qua MOSFET xuất điện áp điều khiển vượt qua giá trị ngưỡng UDS(th) Khi độ nghiêng đường đặc tính dẫn dịng đặc trưng độ dẫn: Trong đó: UDS(th), Gm thơng số MOSFET Người ta dùng giá trị nghịch đảo Gm điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho trình dẫn MOSFET C Phương pháp mở khóa van Nguyên tắc hoạt động • Cấp nguồn chiều UD qua bóng đèn D vào hai cực D S Mosfet Q (Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn khơng sáng nghĩa khơng có dịng điện qua cực DS chân G không cấp điện • Khi cơng tắc K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn Q1 dẫn => bóng đèn D sáng • Khi cơng tắc K1 ngắt, điện áp tích tụ C1 (tụ gốm) trì cho đèn Q dẫn => chứng tỏ khơng có dịng điện qua cực GS • Khi cơng tắc K2 đóng, điện áp tích tụ C1 giảm => UGS= 0V => đèn tắt • => Từ thực nghiệm ta thấy : điện áp đặt vào chân G không tạo dịng GS Transistor thơng thường mà điện áp tạo từ trường => làm cho điện trở RDS giảm xuống D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp D Các thông số van MOSFET Thứ tự Thơng số Điện áp Dịng điện Điều khiển Khuếch đại Công suất Chế độ động Nhiệt D7-CNTD1 Tên tham số Kí hiệu Chế độ đo Điện áp đánh thủngDS Điện áp đánh thủng GS Điện áp tối đa cho phép cưc DS Dòng cực máng tối đa cho phép Dòng cực máng dạng xung tối đa cho phép Điện áp GS cực đại cho phép Điện áp GS ngưỡng Độ hỗ dẫn Điện trở DS dẫn Công suất phát nhiệt tối đa Tổn thất lượng mở Tổn thất lượng khóa Thời gian trễ mở Thời gian trễ khố Thời gian tăng dịng cực máng Thời gian giảm dòng cực máng Điện dung cổng vào Điện dung cổng Điện dung chuyển đổi Điện tích tổng cực Gate Nhiệt trở xác lập độ “np-vỏ” Nhiệt trở xác lập độ “np-môi trường” Nhiệt trở xác lập “vỏ-tản nhiệt” Nhiệt trở độ độ “np-vỏ” U(BR)DSS U(BR)DGR UDS ZThj.C Với xung dịng có thời gian quy định Nhiệt trở tối đa cho phép độ “pn” TJ(max) Cả nhiệt độ âm dương Page iD iDM UGSS UGS(th) gFS RDS(on) PD Khi ngắn mạch DS Khi có điện trở nối hai cực G S nhiệt độ quy định vỏ Với độ rộng xung quy định Khi ngắn mạch DS Khi UDS>0 Theo chế độ quy định Với nhiệt độ vỏ quy định EON EOFF tD(ON) tD(OFF) tR Theo chế độ quy định tF CISS COSS CRSS QG CISS= CGS+ CGD COSS= CGD+ CDS CRSS= CGD Theo chế độ quy định RThj.C Có tản nhiệt chuẩn RThj.A Khơng có tản nhiệt RThj.S GVHD:Nguyễn Thị Điệp E Một số hình ảnh thực tế van: I.1.3 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG MOSFET Sơ đồ mạch cầu mosfet A, Nguyên lí Các van chia thành hai nhóm , Tr1,Tr2 Tr3, Tr4, hoạt động dòng tải Van nhóm điều khiển ( mở khóa) hai nhóm lại điều khiển trái trạng thái, điều khiển nhóm phải khóa nhóm ngược lại Nghịch lưu độc lập điện áp pha trường hợp đặc biệt băm xung áp chiều điều khiển đối xứng Theo sơ đồ : T chu kì điện áp Trong khoảng : Tr1 , Tr2 mở cịn Tr3, Tr4 khóa nên Ut=E - Dòng từ nguồn E qua Tr1 qua tải , Tr2 nguồn Vào thời điểm T/2 hai van Tr1, Tr2 khóa , Tr3, Tr4 điều khiển mở song dòng phải chảy theo chiều cũ (do tải có điện cảm) nên dịng khơng thể ngược qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chảy qua cac điot đấu song song với chúng D7-CNTD1 Page GVHD:Nguyễn Thị Điệp Trong khoảng : Tr1 , Tr2 đóng cịn Tr3, Tr4 mở nên Ut= -E - Năng lượng tích lũy điện cảm trả nguồn : + Nếu lượng tích lũy điện cảm Lt đủ lớn khơng kịp tiêu tán hết dịng khơng thể đến khơng , có D3, D4 dẫn toàn khoảng van mở đầu chu kì + Nếu lượng tích lũy khơng đủ lớn bó bị tiêu tán hết trước thời điểm T dòng kịp đến 0, nhiên lúc Tr3, Tr4 mở nên dòng tải đảo dấu , nguồn E lại cấp lượng cho tải Đến thời điểm T , Tr1, Tr2 mở trở lại , dịng âm nên khơng thể đảo chiều ngay, buộc phải chảy qua diot D1, D2, đến lượng điện cảm hết dịng đảo giá trị dương Ở phương pháp dịng ln làm việc chế độ liên tục Điện áp thỏa mãn điều kiện điện áp xoay chiều điều hịa : • • • • Điện áp có hai dấu âm dương Giá trị trung bình khơng (=0) Sau nửa chu kì có giá trị ngược dấu : u(t)=-u(t) +u(t+T/2) Sau chu kì lặp lại trạng thái : u(t)=u(t+T) B, Tính tốn thơng số sơ đồ Theo phương pháp sóng hài : Với hệ số k=1 Điện áp vào tải : Dịng tải : Với Dịng trung bình qua van : Giá trị trung bình dịng chiêu dịng trung bình qua van Cơng suất tiêu thụ từ nguồn đưa tải: D7-CNTD1 Page 10 GVHD:Nguyễn Thị Điệp Cơng suất tải : II TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC II.1 VAN MẠCH LỰC Thông số đề : Điện áp đầu Ura=220V Tần số f=50Hz Dòng điện Ira=20A Chọn Rt =1 Trị số nguồn chiều: Ta có: Để có trị số hiệu dụng 220V đầu cần nguồn chiều : Chọn D7-CNTD1 Page 11 GVHD:Nguyễn Thị Điệp Chọn Giá trị trung bình dịng qua van Thơng số chọn van mosfet : • Theo tiêu dịng điện ta có : Iv > kIV ITr Chọn kIv = 1,2 ⇒ Iv > 1,2 6,3 ⇒ Iv > 7,56 Điện áp van phải chịu hoạt động nguồn E = 245 V Theo tiêu điện áp: UV > kUv Ung max Chọn kUv = ⇒ Uv > 245 ⇒ Uv > 490 (V) Từ tiêu tính tốn ta chọn van mosfet đấu sẵn sơ đồ cầu có kí hiệu IRF840 Với thông số: IRF840 ID max(A) RDS max(Ω) PD (W) 125 max 0,85 • UDS max(V) 500 USTH max(V) IDS max(μA) 250 IGS max(ηA) tr max(ηs) 500 15 tf max(ηs) (S) 30 Tính tốn chọn tụ chiều đầu vào : Trong thực tế lượng chiều không lấy trực tiếp từ nguồn chiều (acqui) mà từ lưới điện xoay chiều thông qua mạch chỉnh lưu Trong trường hợp phải mắc đầu chỉnh lưu tụ điện C, có nhiệm vụ: - Làm phẳng điện áp đầu tạo nguồn E D7-CNTD1 gf Page 12 GVHD:Nguyễn Thị Điệp - Nhận lượng trả từ điện cảm tải ,vì chỉnh lưu khơng cho dịng đảo chiều lại, trị số tụ điện phụ thuộc vào độ đập mạch cho phép điện áp chiều : Vậy chọn tụ có trị số C= - - Thơng số mạch lọc đầu : Bậc sóng hài thấp q=  Hệ số ℇ  Công suất lọc Công suất tải theo sóng hài : Theo tính tốn ta có  Mắt lọc song song L2 C2 :  Mắt lọc nối tiếp L1 C1 : Dòng qua mắt coi dòng qua tải : D7-CNTD1 Page 13 GVHD:Nguyễn Thị Điệp • Phần tử bảo vệ Bảo vệ cầu chì Mạch điện tính tốn với dịng tối đa bên sơ cấp , để tránh tình trạng tải hay ngắn mạch gây cố phá hỏng thiết bị ta chọn thiết bị cầu chì cắt nhanh với dịng xác định • • Chọn làm mát cánh tản nhiệt khơng khí Bảo vệ q dòng: Mắc thêm cuộn kháng nối tiếp trước van mosfet, Xét trình độ mạch Tốc độ tăng dịng lớn Để đảm bảo an tồn ta phải chọn L cho tốc độ tăng dòng nhỏ tốc độ tăng dòng chịu van Chọn cảm kháng có giá trị L= 20,75 • Bảo vệ áp Dùng mạch RC mắc song song với van mosfet Thông số RC phụ thuộc vào độ điện áp xảy khó để tính tốn cụ thể nên thường chọn giá trị R= 20 100 C= Với dòng qua van Itbv=6,73 A nhỏ lên ta chọn R lớn Chọn R=100 C= Ta có mạch bảo vệ sau : D7-CNTD1 Page 14 GVHD:Nguyễn Thị Điệp Sơ đồ mạch lực thiết kế sau: D7-CNTD1 Page 15 GVHD:Nguyễn Thị Điệp CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Đưa cấu trúc chung mạch điều khiển nghịch lưu • • Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển nghịch lưu: Sơ đồ gồm khâu có chức cụ thể : - Khâu phát xung chủ đạo, để tạo tín hiệu đồng cho tồn hệ thống có tần số tỉ lệ với sóng hài điện áp - Bộ phân phối tín hiệu xung vào van lực riêng biệt theo thứ tự làm việc chúng theo nguyên lí hoạt động - Khâu xác định khoảng dẫn cho van thực theo phương pháp điều khiển cụ thể - Bộ khuếch đại xung : tăng đủ công suất để đóng/mở van lực Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp pha Mạch điều khiển cho loại gồm khâu tạo dao động chữ nhật cho điện áp , sau qua khâu chia tần đảm bảo khoảng dẫn van hoàn toàn trái pha Trước khuếch đại công suất cần phải tạo trễ mở để chống tượng ngắn mạch hai van thẳng hang Với chức mạch điều khiển loại thực dễ dàng nhờ áp dụng kĩ thuật xung – số đơn giản , có khâu tạo dao động chia tần sử dụng mạch trigơ ( Flip Flop) chế độ đếm nhị phân với tần số dao động gấp đôi tần số điện áp a Khâu tạo dao động D7-CNTD1 Page 16 GVHD:Nguyễn Thị Điệp • • Sử dụng phương pháp tạo xung đơn dùng IC logic Đặc điểm: - họ IC có loại chế tạo với cửa vào hoạt động theo ngưỡng gọi kiểu trigơ Schmitt, mạch đa hài đợi cần tính chất Nguyên lý hoạt động thể đồ thị dùng cách cho tụ nạp chậm từ điện áp đầu vào qua điện trở R để hình thành độ rộng xung, đầu vào tụ phóng nhanh qua diot Độ rộng xung định thời gian tụ nạp từ đến giá trị ngưỡng lật trạng thái mạch logic L1 ( ngưỡng 2/3E), biểu thức tính tốn gần : tx= 0,693RC 0,7RC (1) Lưu ý : • • Muốn có sườn xung thật dốc nên sử dụng IC họ TTL ( 74TL14, 74TL24 ), lúc trị số điện trở R phép khoảng (300500), sau chọn R tính tụ C theo yêu cầu tx Nếu khơng cần sườn thật dốc sử dụng IC họ CMOS (74C93, CD4093 ), trường hợp trị số R cho phép lớn thay đổi khoảng rộng nên thường chọ trước tụ C khoảng 10nF theo tx tính giá trị R Loại thơng dụng cơng việc làm việc với điện áp nguồn cao (đến 15V) nên khả chống nhiễu tốt - Chọn tx=1ms - Không cần dạng sườn thật dốc nên chọn C=9nF Từ (1) ta có tx= = 158,7 k b Khâu tạo trễ mở • • D7-CNTD1 Dùng phương pháp điều khiển đối xứng Đặc điểm: - Mạch khơng có khâu xác định chiều dịng quy luật điều khiển chung cho hai chiều dịng điện tải - Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông hai van thẳng hàng chúng chuyển đổi trạng thái, thực nhờ hai phần tử logic L1, L2 với nhóm R 14C3D7 R15C4D8 Đồ thị minh họa hoạt động mạch này: Page 17 GVHD:Nguyễn Thị Điệp Ở dùng tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở R để đưa tới cổng vào logic L1 loại có ngưỡng ( trigơ Schmitt), thời gian trễ gần 0,7RC Khi điện áp vào tụ C phóng tắt qua diot D nên độ trễ không đáng kể Thực tế thời gian trễ nằm khoảng (1,310)s tùy loại van lực tần số làm việc mạch - Nguồn cung cấp cho mạch phải dùng bốn cụm cách ly sơ đồ điều khiển riêng c.TIMER 555 - Dùng Timer 555 để tạo dao động, mạch cho điện áp dấu nên để dễ ghép nối cần dùng khâu tạo cưa transistor Ta phải dùng thủ thuật tách hai thời gian phóng nạp tụ nhờ điơt , lúc đó: - Khoảng thời gian phát xung >0 (1) - Khoảng thời gian xung : =0 (2) - Chu kỳ tạo dao động T= ; tần số f=1/T - Có thể coi phạm vi điều chỉnh ; thường - Để hiệu chỉnh tần số , thường gồm biến trở nối tiếp điện trở - Với E=245(V),f=50Hz chu kì làm việc băm xung áp T=1/50=0,02(s) - Chọn - Do phân bố khoảng thời gian : - ; Chọn tụ C=33nF, từ biểu thức (1) (2) suy : 86,5kΩ D7-CNTD1 Page 18 GVHD:Nguyễn Thị Điệp - 779kΩ C Khâu khuếch đại xung : * Yêu cầu điều khiển cho van MOSFET - Đây loại van điều khiển điện áp dòng BT:Khi dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương cực điều khiển (12V;Còn khóa điện áp lại âm ( -5 -8)V Như trạng thái ổn định, dù khóa hay dẫn cần điện áp mà khơng địi hỏi có dịng điều khiển, tức cơng suất điều khiển trạng thái không đáng kể - - - - Tuy nhiên để van chuyển đổi trạng thái từ khóa sang dẫn ngược lại từ dẫn sang khóa, buộc phải cấp dịng cho cực điều khiển van Điều hai cực GS tồn điện dung hay tụ điện hai cực dẫn đến: + Khi van trạng thái khóa điện áp điều khiển âm nên tụ điện có giá trị âm.để mở van điện áp điều khiển buộc phải đổi dấu chuyển từu âm sang dương cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính tụ điện + Điều tương tựu xảy van chuyển từ dẫn sang khóa + để hạn chế dịng phóng nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển điện trở hạn chế R on R off Giá trị điện trở định tốc độ chuyển trạng thái van buộc phải có để đảm bảo an tồn cho van nhà sản xuất thường cho dẫn vầ giá trị điện trở loại chế tạo, nhiên giá trị cụ thể chế độ hoạt động ảnh hưởng Do tính ưu việt MOSFET nên ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử cơng suất Cũng hãng chế tạo nhiều mạch điều khiển (Driver) cho van Để tăng tốc độ truyền xung, Driver xử dụng bóng MOSFET với van lực cơng suất lớn địi hỏi dịng điều khiển mạnh thời gian ngắn, cần thêm tụ trữ lượng mắc sát cạnh Driver nguồn điều khiển khơng bố trí cạnh HÌNH 3.33C TRANG 266 Các mạch Driver đơn giản thường làm nhiệm vụ truyền cách ly khuếch đại công suất xung Tuy nhiên để van hoạt động an toàn trường hợp, kể tượng tải hay ngắn mạch cần phải có thêm khâu bảo vệ cho thân van Để đáp ứng điều công nghiệp chế tạo mạch Driver D7-CNTD1 Page 19 GVHD:Nguyễn Thị Điệp D7-CNTD1 Page 20 ... khóa điện áp lại âm ( -5 -8 )V Như trạng thái ổn định, dù khóa hay dẫn cần điện áp mà khơng địi hỏi có dịng điều khiển, tức cơng suất điều khiển trạng thái không đáng kể - - - - Tuy nhiên để van... nối tiếp điện trở - Với E=245(V),f=50Hz chu kì làm việc băm xung áp T=1/50=0,02(s) - Chọn - Do phân bố khoảng thời gian : - ; Chọn tụ C=33nF, từ biểu thức (1) (2) suy : 86,5kΩ D7-CNTD1 Page 18 GVHD:Nguyễn... tụ nhờ điơt , lúc đó: - Khoảng thời gian phát xung >0 (1) - Khoảng thời gian xung : =0 (2) - Chu kỳ tạo dao động T= ; tần số f=1/T - Có thể coi phạm vi điều chỉnh ; thường - Để hiệu chỉnh tần