Thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi nguồn điện dc 12v sang ac 220v dùng trong sinh hoạt gia đình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN DC 12V SANG AC 220V DÙNG TRONG SINH HOẠT GIA ĐÌNH Sinh viên thực hiện: Lê Đình Hưng Lớp: 54K1 CNKTĐ-ĐT Giảng viên hướng dẫn: ThS PHẠM MẠNH TOÀN Vinh 5/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Đình Hưng Mã số sinh viên: 135D5103010070 Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật Điện – Điện tử Khoá: 54 Giảng viên hướng dẫn : ThS Phạm Mạnh Toàn Cán phản biện : Nội dung thiết kế tốt nghiệp : “ Thiết kế, chế tạo chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia đình “ Nhận xét cán phản biện: Vinh ngày tháng năm 2018 Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Phạm Mạnh Toàn người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại học Vinh nói chung, thầy Viện Kĩ thuật & Cơng nghệ nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Vinh, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Lê Đình Hưng LỜI NĨI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, thiết bị biến đổi điện dùng linh kiện bán dẫn công suất sử dụng nhiều công nghiệp đời sống nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Trong thực tế sử dụng điện ta cần thay đổi tần số nguồn cung cấp, biến tần sử dụng rộng rãi truyền động điện, thiết bị đốt nóng cảm ứng, thiết bị chiếu sáng Bộ nghịch lưu biến tần gián tiếp biến đổi chiều thành xoay chiều có ứng dụng lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa Là Sinh viên tốt nghiệp Trường Đại học Vinh ngành Công nghệ kĩ thuật Điện - Điện tử, em hiểu tự động hóa cơng nghiệp quan trọng phát triển cảu đất nước Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp em thầy giáo Phạm Mạnh Toàn hướng dẫn em thiết kế đồ án tốt nghiệp với đề tài là: “Thiết kế, chế tạo chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia đình” Với đề tài giao, em vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Phạm Mạnh Tồn với cố gắng nỗ lực em hoàn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VI N HƢỚNG DẪN Vinh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VI N PHẢN BIỆN Vinh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên phản biện MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VI N HƢỚNG DẪN CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích yêu cầu đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài .8 1.3 Ý nghĩa đề tài 1.4 Nội dung cần hoàn thành .9 CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Giới thiệu van bán dẫn công suất 10 2.1.1 Điốt công suất 10 2.1.2 Thyristor 14 2.1.3 Triắc 17 2.1.4 Transistor công suất 18 2.1.4.1 Transistor lưỡng cực ( BJT ) 18 2.1.4.2 Transistor MOS công suất ( MOSFET ) 20 2.1.5 Tụ điện 22 2.2 Giới thiệu tổng quan nghịch lưu 26 2.3 Máy biến áp Ăc quy 26 2.3.1 Máy biến áp 26 2.3.2 Ăc quy 30 CHƢƠNG III : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM 33 3.1 Tính tốn máy biến áp 33 3.2 MOSFET IRF 540 34 3.3 IC 68AKHNK 36 3.4 Nguyên lý hoạt động 38 3.5 Sơ đồ mô sơ đồ mạch in 39 3.6 Lắp đặt vận hành mơ hình 40 KẾT LUẬN 44 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phân tích yêu cầu đề tài Với yêu cầu đề tài phải thiết kế nghịch lưu cho điện áp xoay chiều 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số mạch đo 50Hz, công suất nghịch lưu 300W Mạch lấy nguồn ắc quy 12V cấp trực tiếp cho mạch cho biến áp Biến áp sử dụng kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao nhiều lần so với giá trị áp ban đầu Chính mạch có khả biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực lớn thực tế Mạch mạch cơng suất linh kiện sử dụng phần lớn linh kiện công suất Mạch sử dụng van bán dẫn công suất Transistor, MOSFET, IGBT…Trong trình chạy mạch xung tạo xung vng khuyếch đại lên van bán dẫn Transistor, IGBT… 1.2 Mục tiêu đề tài Nắm cách tổng quan phần tử bán dẫn công suất Nghiên cứu mạch nghịch lưu, hiểu nguyên lý làm việc mạch nghịch lưu, phương pháp biến đổi từ lựa chọn phương án tối ưu để có áp dụng đồ án ngồi thực tiễn Có khả tính tốn, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu điện áp pha với công suất cho trước 1.3 Ý nghĩa đề tài Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên nghành kiến thức ngồi thực tế Đề tài cịn thiết kế chế tạo thiết bị, mơ hình để sinh viên trường đặc biệt sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho học sinh, sinh viên khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu học tập Những kết thu sau hoàn thành đề tài trước tiên giúp em hiểu sâu nghịch lưu, phương pháp biến đổi điện áp Từ tích luỹ kiến thức cho năm học sau thực tế 1.4 Nội dung cần hoàn thành Lập kế hoạch thực Giới thiệu số ứng dụng đặc điểm mạch nghịch lưu pha Phân tích ngun lý làm việc thơng số mạch nghịch lưu ba pha Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu pha đảm bảo yêu cầu: + Điện áp đầu vào chiều U = 12V lấy từ ắc quy + Điện áp đầu dùng cho thiết bị điện xoay chiều U = 220V - f = 50HZ, P = 100VA + Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật Hình 2.19: Hình ảnh Ắc quy axit Ắcquy sắt kền: Còn gọi bình ắc quy ankalin, gồm cực làm oxy hydrat - kền, cực âm sắt ngâm dung dịch hydroxit kali Các cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, làm hợp kim thép có mạ kền Các cực chế tạo có quai để dùng bu lơng xiết dính lại với nhau, cực dương nối với cực dương, cực âm nối với cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy, số lượng cực xác định dung lượng bình ắc quy Điện danh định bình 1,2 vơn Điện thực bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, hở mạch, hay phóng, hay nạp Thơng thường, Điện hở mạch biến thiên từ 1,25 đến 1,35 vôn, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp Chất lỏng bình dung dịch hydrơxít kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế tạo, thường điơxít liti 32 Nồng độ dung dịch, biểu trưng tỉ trọng đo được, không tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, khơng tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạp bình, khơng tham gia vào phản ứng hóa học tỉ trọng suy 25 độ C (77 độ F) từ 1,210 đến 1,215 g/cm³ Trị số thực tế giảm nhẹ theo thời gian, dung dịch có khuynh hướng bị cacbơnát hố, tiếp xúc với khơng khí Khi trị số giảm xuống tới 1,160 g/cm³, làm thay đổi dung lưọng bình, cần phải thay Tình trạng xảy vài lần suốt tuổi thọ bình Hình 2.20: Hình ảnh Ăc quy sắt kền 33 CHƢƠNG III TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM 3.1 Tính tốn máy biến áp Lựa chọn máy biến áp điểm so sánh mặt kinh tế mặt kĩ thuật phương án lựa chọn tối ưu i2 k2 n11 - u i1 = + n2 u2 zt n12 k1 Máy biến áp có thơng số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 100VA Do máy biến áp điểm nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất máy biến áp: P =  U2.I2 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 Chọn  = 0,85 ta tính dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = P  U = 100 = 0,53( A ) 0,85.220 Áp dụng tỉ số máy biến áp U I U I2  I1 = 2  U1 U2 I1 34 Do máy biến áp điểm nên điện áp sơ cấp tính U1 = 24( V ) I1 = 220.0,53 = 4,9( A ) 24 Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 I1 = 24 4,9= 118 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có cơng suất P = 118W với I = 5A 3.2 MOSFET IRF 540 3.2.1 Hình dạng: Hình 3.1: Hình dạng ký hiệu MOSFET IRF 540 MOSFET IRF 540 có ba cực : D - cực máng ( drain ) : điện tích đa số từ bán dẫn chảy máng S - cực nguồn ( source ) : điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào bán dẫn G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển Tương đương thuật ngữ Transistor MOS Transistor lưỡng cực Transistor MOS Transistor lưỡng cực D Colectơ C 35 S Emitơ E G Bazơ B VDD : nguồn điện máng VCC VGG : nguồn điện cổng VBB ID : dịng điện máng IC 3.2.2 Đặc tính Volt – Ampe: Hình 3.2: Đặc tính Volt – Ampe Mosfet IRF 540 Trên đường đặc tính ta thấy đặt điện áp nhỏ mức cỡ 3V cực máng cực gốc điện trở lớn dịng qua gần băng khơng Khi điện áp cỡ 6-7V Mosfet chế độ dẫn thông thường người ta điều khiển Mosfet điện áp cỡ 15V để giảm điên áp rơi cực D S U DS gần tỷ lệ với dòng I D 36 Mosfet tác động nhanh đóng mở với tần số 100KHZ Khi mosfet dẫn dịng điện trở nhỏ khoảng 0,1 Mosfet - 1000V khoảng 1 Mosfet – 500V 3.3 IC 68AKHNK Hình 3.3: Sơ đồ chân hình dạng IC Cấu trúc IC nhƣ sau: Hình 3.4: Cấu trúc IC Nguyên lý hoạt động IC 37 - Hoạt động chân astable phép đạt đầu vào chân mức cao mức thấp chân chân - Độ rộng xung vuông Q Q hàm đầu vào phụ thuộc vào RC - Chân astable cho phép mạch làm tạo dao động đa hài qua cổng Độ rộng xung chân 13 1/2 đầu Q chế độ astable Tuy nhiên điều 50% - Trong chế độ ổn định đơn có sườn dương đầu vào +trigger(8) chân trigger(6) mức thấp xung đầu vào thuộc thời điểm tương ứng với xung đầu - Chân 12 cho phép kích mở trở lại xung dương Đặc điểm IC nhƣ sau: - Công suất tiêu thụ thấp - Hoạt động trạng thái đơn chế độ không ổn định - Các đầu ổn định mức thể bù bổ xung yêu cầu tín hiệu R C đầu vào có điệm kiểm tra tĩnh điện áp 20V chuẩn hố đặc tính, đặc tính đầu chuẩn đối xứng - Ta tính tốn để có xung 50Hz sau: t1   RC  In VTR VDD  VTR t2   RC  In VDD  VTR 2VDD  VTR t A   t1  t2   2 RC  In VTR VDD  VTR  VDD  VTR  2VDD  VTR  Thay số: V DD = 12 V 38 V TR = 50% V DD Với f = 50 (hz)   T = 0.02 (s)   4.4 RC = 0.02   RC = 4.55*10 3 Chọn tụ có C = 10-4 f U max Q Q = 11 V Dạng sóng đầu ra: Q t Q t Hình 3.5: Dạng sóng đầu Tín hiệu xung vng đầu IC Hình 3.6: Tín hiệu xung vng hiển thị hình 3.4 Ngun lý hoạt động tồn hệ thống Toàn hệ thống mạch sử dụng nguồn 12v từ ắc quy.Ắc quy mạch sử dụng với thông số điện áp đầu 12v dòng điện 4A 39 Khi cấp dòng điện ăc quy 12V cho mạch giao động điện tử , mạch giao động với tần số lớn vào khoảng 400Hz để chuyển đổi lượng lớn qua biến áp Và sau biến áp chuyển đổi dịng điện từ 12V sang 220V 3.5 Sơ đồ mô sơ đồ mạch in Hình 3.7: Sơ đồ mơ Hình 3.8: Sơ đồ mạch in 40 3.6 Lắp đặt vận hành mơ hình Nguồn ăcquy 12V Mạch inverter Biến áp đối xứng 12V Phụ tải Hình 3.9: Sơ đồ khối mơ hình Hình 3.10: Tổng quan thiết bị mơ hình 41 Hình 3.11: Bảng mạch hồn chỉnh 42 Hình 3.12: Mơ hình trước lúc vận hành 43 Hình 3.13: Mơ hình vận hành 44 KẾT LUẬN Em thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia đình Mơ hình sử dụng cho: thắp đèn ống huỳnh quang, sạc điện thoại di động hay dùng cho quạt máy điện Mơ hình đạt số ưu điểm nhược điểm sau: Ưu điểm: + Mô hình hoạt động ổn định + Các nguyên vật liệu tương đối dễ kiếm + Giá thành không cao + Dễ dàng thao tác + Nhỏ gọn Nhược điểm: + Đang cịn thiết bị mơ hình + chưa ổn định điện áp tải lớn + Độ hoàn thiện chưa cao Trong thời gian tới em tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mơ hình 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Kỹ thuật điện tử(1999), Đỗ Xuân Thụ- NXB Giáo Dục [2] Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng, TS Nguyễn Viết Nguyên - NXB Giáo Dục [3] Giáo trình Khí cụ điện, Phạm Văn Chới - NXBGD, 2007 [4] Giáo trình điện tử bản, Trung Tâm Đào Tạo Cơng Nghệ(Điện tử-Tự động hóaCơ khí TOPEDU) [5] Website http://www.tailieu.vn/ [6] Website http://wikipedia.com/ [7] Website http://webdien.com/ [8] Website http://codientu.org/ 46 ... LUẬN Em thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia đình Mơ hình sử dụng cho: thắp đèn ống huỳnh quang, sạc điện thoại di động hay dùng cho... nước Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp em thầy giáo Phạm Mạnh Toàn hướng dẫn em thiết kế đồ án tốt nghiệp với đề tài là: ? ?Thiết kế, chế tạo chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia. .. ThS Phạm Mạnh Toàn Cán phản biện : Nội dung thiết kế tốt nghiệp : “ Thiết kế, chế tạo chuyển đổi nguồn điện DC 12V sang AC 220V dùng sinh hoạt gia đình “ Nhận xét cán phản biện: