Nghiên cứu, chế tạo bộ biến đổi DC-DC và DC-AC dùng trong thí nghiệm

Hiện nay, việc tăng cường thiết bị để phục vụ đào tạo và nghiên cứu của khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên để thực hiện mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng là một nhu cầu cấp bách. Căn cứ vào nhu cầu đó, nhóm tác giả có đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ biến đổi DC-DC và DC-AC dùng trong thí nghiệm”.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ DC-AC DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM Nguyễn Viết Ngư, Nguyễn Đình Hùng Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 22/10/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 12/11/2018 Ngày báo duyệt đăng: 23/11/2018 Tóm tắt: Hiện nay, việc tăng cường thiết bị để phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên để thực mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng nhu cầu cấp bách Căn vào nhu cầu đó, nhóm tác giả có đề xuất thực đề tài “Nghiên cứu, chế tạo biến đổi DC-DC DC-AC dùng thí nghiệm” Kết đề tài, có độ xác cao, đảm bảo yêu cầu đề Từ khóa: Điện tử cơng suất, Bộ biến đổi DC-DC, Bộ biến đổi DC-AC Mở đầu Hiện giới với tảng khoa học công nghệ giáo dục phát triển mạnh, nên có nhiều cơng ty; tập đồn Lucas- nulle Đức; Edipon Tây Ban Nha…tham gia sản xuất thiết bị giáo dục nói chung, thiết bị dạy nghề nghiên cứu ứng dụng nói riêng Trong phải kể đến lĩnh vực điện tử công suất, lĩnh vực khai thác sử dụng mạnh mẽ thập niên gần Đối với quốc gia phát triển mạnh thiết bị giáo dục nghề nghiệp Đức; Anh; Hàn Quốc, Tây Ban Nha; Đài Loan thiết bị đào tạo điện tử công suất chế tạo với nhiều loại hình khác để đáp ứng nhu cầu học tập nghiên cứu Tuy nhiên giá thành cao nhiều nội dung chưa phù hợp với điều kiện đào tạo nước ta Trong nước, thiết bị đào tạo phát triển công nghệ Ngọc Huy; Cty TBGD Hồng Đức; Hải Hà…đã đầu tư phát triển thiết bị thí nghiệm - thực hành điện tử công suất, đáp ứng yêu cầu chung mặt kỹ thuật kinh tế, nhiên để phù hợp với mục tiêu cụ thể đơn vị cịn phải tiếp tục tìm hiểu nghiên cứu Đứng trước tình hình nhóm nghiên cứu đưa đề xuất “Nghiên cứu, chế biến đổi DC-DC DC-AC dùng thí nghiệm” để phục vụ nhu cầu đào tạo trường Phân tích lựa chọn vật liệu làm modul Căn sở tiêu chuẩn thiết bị giáo dục, dựa thiết bị có phịng thí nghiệm thiết bị vật tư có thị trường nước, nhóm nghiên cứu phân tích lựa chọn số vật liệu có đặc điểm sau để làm modul thiết bị: + Kích thước mặt modul: 300x250x5mm + Vật liệu làm modul: Phần mặt trước làm phíp cách điện, phần mặt sau làm kim loại phủ sơn tĩnh điện + Điểm kết nối thí nghiệm sử dụng chân cắm an toàn 4/12mm, khả chịu cách điện với điện áp 500V + Nắp đậy phía sau sử dụng hộp nhựa PVC chống cháy 2.1 Thiết kế giao diện modul biến đổi DC/DC DC/AC[1-4] 2.1.1 Thiết kế giao diện modul cơng suất Hình Giao diện modul cơng suất biến đổi DC/ DC DC/AC Modul công suất thiết kế với ý tưởng bao gồm van IGBT sử dụng cho Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 31 ISSN 2354-0575 biến đổi, tùy thuộc vào mạch mà sử dụng van, van, van, van hay van IGBT Trong mạch có sử dụng điơt tụ điện C1 để san phẳng điện áp nguồn cấp DC Mạch bảo vệ tải ngắn mạch cầu chì 3A, điện trở 1X dùng để đo dạng sóng dịng điện qua van q tải nguồn đầu vào Từ ý tưởng nhóm nghiên cứu thiết kế giao diện Hình 2.1.2 Thiết kế giao diện modul điều khiển Modul điều khiển thiết kế đảm bảo thực mạch như: Xung áp đơn, xung áp kép điều khiển đối xứng, xung áp kép điều khiển không đối xứng, mạch nghịch lưu pha bán cầu, mạch nghịch lưu pha cầu H mạch nghịch lưu ba pha Các tín hiệu điều khiển đưa đầu nối an toàn tương ứng với van bên mạch cơng suất để kết nối linh hoạt với modul công suất khác Trên modul có thiết kế núm điều chỉnh độ rộng xung công tắc chọn chế độ pha hay pha, chế độ DC/DC hay DC/AC Mạch hoạt động công tắc nguồn điều khiển bật lên trạng thái ON với đèn báo nguồn màu xanh dừng cơng tắc nguồn vị trí OFF với trạng thái đèn báo mầu đỏ Từ đặc điểm yêu cầu nhóm nghiên cứu thiết kế giao diện điều khiển Hình song song, xung áp kép, nghịch lưu nguồn áp pha pha hình PL1 b Tính tốn lựa chọn phần tử cơng suất Thiết bị thí nghiệm chọn phù hợp với cơng suất thiết bị phịng thí nghiệm Theo u cầu đề tài nhóm nghiên cứu chọn van công suất đảm bảo làm việc với nguồn điện áp đầu vào lớn 310VDC dòng điện tải lớn I = 1,5A Với nội dung khảo sát mạch xung áp chiều mạch nghịch lưu nguồn áp pha ba pha, ta phải chọn cho trường hợp sau chọn trường hợp điện áp dịng lớn đáp ứng nhiều loại tải Để đơn giản ta bỏ qua chế độ độ, xét đến chế độ xác lập Khi mạch làm việc với mạch xung áp nối tiếp, xung áp song song, xung áp kép, nghịch lưu nguồn áp pha pha van cơng suất phải chịu dòng điện lớn dòng điện tải, điện áp lớn điện áp nguồn IV = Id = 1,5 A ; UV max = 310 V Theo điều kiện làm mát tự nhiên van cơng suất cần chọn phải thỏa mãn điều kiện điện áp dòng làm việc sau: + Dòng điện làm việc định mức IGBT chọn thỏa mãn điều kiện ITrRMS $ (3 ' 4).It = (3 ' 4).1,5 = (4,5 ' 6) A + Điện áp chịu lớn IGBT trạng thái khóa U $ (1,6 ' 2).Umax = (1,6 ' 2).310 = (496 ' 620) V 2.1.4 Thiết kế lựa chọn mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình PL2 2.2 Lắp ráp hồn thiện sản phẩm a Modul cơng suất sau hồn thiện Hình Giao diện modul điều khiển biến đổi DC/ DC DC/AC 2.1.3 Thiết kế lựa chọn mạch công suất a Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất Mạch cơng suất thiết kế đảm bảo thí nghiệm mạch xung áp nối tiếp, xung áp 32 Hình Hình ảnh sản phẩm modul cơng suất Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 b Kết khảo sát Điện áp nguồn U=15VDC b Modul điều khiển sau hồn thiện Hình Dạng sóng điện áp tải động với PWM = 5% 2.3.2 Khảo sát mạch xung áp đảo dòng với tải động điện DC a Sơ đồ mạch điện [5] Hình Hình ảnh sản phẩm modul điều khiển 2.3 Khảo sát tín hiệu mạch điều khiển Hình Sơ đồ mạch điện Hình Hình ảnh khảo sát kiểm tra thiết bị b Kết khảo sát Điện áp nguồn U=15VDC 2.3.1 Khảo sát mạch xung áp chiều nối tiếp với tải động điện DC a Sơ đồ mạch điện [5] Hình Sơ đồ mạch điện Hình Dạng sóng điện áp tải động với PWM = 5% Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 33 ISSN 2354-0575 2.3.3 Khảo sát mạch xung áp kép điều khiển không đối xứng với tải động điện DC a Sơ đồ mạch điện [5] Hình 10 Sơ đồ mạch điện b Kết khảo sát Điện áp nguồn U=15VDC b Kết khảo sát Điện áp nguồn U=15VDC Hình 13 Dạng sóng điện áp tải 2.3.5 Khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha với tải R a Sơ đồ mạch điện [5] Hình 11 Dạng sóng điện áp tải động với PWM = 5% Hình 14 Sơ đồ mạch điện Kết khảo sát Hình 7, Hình Hình 11 cho thấy, thiết bị hoạt động theo nguyên lý, dạng sóng điện áp đầu có chất lượng tốt b Kết khảo sát Điện áp nguồn U=15VDC 2.3.4 Khảo sát mạch nghịch lưu nguồn áp pha sử dụng IGBT với tải R a Sơ đồ mạch điện [5] Hình 15 Dạng sóng điện áp tải pha A, pha B Hình 12 Sơ đồ mạch điện 34 Kết khảo sát Hình 13 Hình 15 cho thấy, thiết bị hoạt động theo nguyên lý, dạng sóng điện áp đầu có chất lượng tốt Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết luận Sau trình nghiên cứu khảo sát mạch xung áp chiều mạch nghịch lưu với thí nghiệm điện tử cơng suất nhóm nghiên cứu chế tạo, chúng tơi xin đưa số nhận xét sau: Bộ thí nghiệm hoạt động tương đối tốt với mạch xung áp đơn nối tiếp, xung áp kép loại A, xung áp kép loại B, mạch nghịch lưu pha ba pha nguồn áp đảm bảo nguyên lý Các kết thí nghiệm thu đảm bảo theo sở lý thuyết, nhiên vài sai số chế độ làm việc thực tiễn lý thuyết xét điều kiện lý tưởng Thiết bị hoạt động ổn định với loại tải tải trở, tải động điện chiều tải động không đồng ba pha Sản phẩm đề tài ứng dụng việc giảng dạy cho học phần thí nghiệm điện tử cơng suất truyền động điện khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2000 [2] Võ Minh Chính, Điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2007 [3] Nguyễn Trọng Linh, Điện tử công suất, Tài liệu dịch tác giả Ashfaq Ahmed, năm 2004 [4] Trần Văn Thịnh, Thiết bị điện tử công suất, Lưu hành NB - ĐHBKHN, năm 2000 [5] Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điện tử cơng suất hãng Lucas- nulle- EPE10 RESEARCH AND MANUFACTURE DC-DC AND DC-AC CONVERTERS USED IN EXPERIMENT Abstract: Currently, the strengthening of equipment for training and research of the Faculty of Electrical and Electrical Engineering, Hung Yen University of Technology and Education to implement the applicationoriented training goal is an urgent need Based on that demand, the authors have proposed to implement the project “Research and manufacture DC-DC and DC-AC converters used in experiment” The results of the project, with high accuracy, ensure the required requirements Keywords: Electronic Power, DC-DC converter , DC-AC converter Phụ lục Hình PL1 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất Trên sơ đồ ngun lý mạch cơng suất gồm có điôt D3 tụ điện C1 dùng để lọc san phẳng điện áp trước đưa vào biến đổi cơng suất Các cầu chì từ F1 đến F3 dùng bảo vệ tải ngắn mạch cho van công suất Các điện trở từ R1 đến R3 sử dùng để đo dạng sóng dịng điện mạch Các van công suất từ V1 đến V6 hoạt động đóng cắt theo nguyên lý biến đổi phụ thuộc vào phần điều khiển Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 35 ISSN 2354-0575 Hình PL2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Mạch điện hoạt động theo nguyên lý sau: Nguồn điện xoay chiều 12VAC cấp vào mạch chỉnh lưu, sau qua tụ lọc IC ổn áp nguồn tạo nguồn 5V để cấp cho vi điều khiển, nguồn 15V để cấp cho IC khuếch đại tín hiệu cấp vào cực điều khiển IGBT Các xung điều khiển phụ thuộc vào chế độ chương trình điều khiển kết hợp với tín hiệu ngắt từ công tắc chọn chế độ nối qua cầu đấu dây X8 Biến trở VR5K sử dụng để thay đổi độ rộng xung điều khiển 36 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology ... 2354-0575 Kết luận Sau trình nghiên cứu khảo sát mạch xung áp chiều mạch nghịch lưu với thí nghiệm điện tử cơng suất nhóm nghiên cứu chế tạo, xin đưa số nhận xét sau: Bộ thí nghiệm hoạt động tương... điơt D3 tụ điện C1 dùng để lọc san phẳng điện áp trước đưa vào biến đổi công suất Các cầu chì từ F1 đến F3 dùng bảo vệ tải ngắn mạch cho van công suất Các điện trở từ R1 đến R3 sử dùng để đo dạng... xung điều khiển phụ thuộc vào chế độ chương trình điều khiển kết hợp với tín hiệu ngắt từ cơng tắc chọn chế độ nối qua cầu đấu dây X8 Biến trở VR5K sử dụng để thay đổi độ rộng xung điều khiển