nghịch-lưu-1-pha (1)

Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .2 LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI .4 1.1 IC ổn áp 7805 1.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1.3 IC IR2110 1.4 IC SG3525 1.5 Nghịch lưu 11 CHƯƠNG 19 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA 19 2.1 Sơ đồ khối toàn mạch 19 2.2 Tính toán, thiết kế mạch động lực 20 2.3 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển .26 2.4 Sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động toàn mạch 28 CHƯƠNG 30 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ 30 3.1 Khảo sát tín hiệu mạch điều khiển .30 3.2 Khảo sát tín hiệu mạch khuếch đại 30 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài mặc dù gặp phải rất nhiều những vấn đề khó khăn song với hướng dẫn thầy Vũ Doãn Vượng với chỉ bảo thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử lỗ lực không ngừng nhóm, đến chúng em đã hoàn thành đề tài Tuy nhiên, kiến thức chúng em còn hạn chế, nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót Vì chúng em rất mong nhận những ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy Vũ Dỗn Vượng, thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử bạn đọc để đề tài chúng em ngày hoàn thiện phát triển lên mức cao thời gian gần nhất Sau thời gian thực đề tài khoa, chúng em đã học hỏi rất nhiều kinh nghiệm kiến thức Các thầy gióa khoa đã nhiệt tình chỉ bảo Đặc biệt hướng dẫn rất nhiệt tình thầy Vũ Dỗn Vượng đã giúp chúng em hồn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì LỜI NÓI 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 đã 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 rất lớn thực tế hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa Trong thời gian học tập nghiên cứu, học tập nghiên cứu môn Điện tử công suất ứng dụng nó lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để có thể nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức đó vào thực tế, chúng em nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu pha” Với đề tài giao, chúng em đã vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình thầy Vũ Dỗn Vượng với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em rất mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy cô giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 1.1 IC ổn áp 7805 1.1.1 Sơ đồ chân Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 78XX Nhìn từ trái qua phải chân số 1, 2, IC - Chân số 1: Input (chân vào) - Chân số 2: GND (nối mass) - Chân số 3: Output (chân ra) 1.1.2 Chức IC 7805 thuộc họ IC78xx họ IC ổn áp có chức tạo điện áp ở đầu cố định ở mức (+) xx V - 78 họ IC lấy điện áp dương (+) - XX số điện áp lấy Lưu ý: Điện áp đầu vào IC phải lấylớn điện áp đầu 3V trở lên Ví dụ IC 7805 Vin phải 8V trở lên 1.1.3 Ứng dụng Được dùng để thiết kế nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho mạch điện không đòi hỏi điện áp ổn định cao 1.1.4 Một vài thông số IC 7805 - Dòng cực đại có thể trì 1A - Dòng đỉnh 2,2A - Công suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W Công suất tiêu tán ổn áp nối tiếp tính sau: Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Pd = (Ui – Uo) I Trong đó: - Ui – áp lối vào ,Uo – áp lối - I – dòng sử dụng Đặc tính Điều kiện TJ† µA7805C MIN TYP MA Đơn vị X Output voltage (Điện áp ra) Input voltage regulation ( Sự ổn áp đầu vào) Output voltage regulation ( Sự ổn áp đầu vào) Temperature coefficient of output voltage (Hệ số nhiệt độ điện áp ra) Output noise voltage( Điện áp tạp nhiễu) Dropout voltage( Điện áp rơi) IO = mA to A, VI = V to 20 V PD ≤ 15 W VI = V to 25 V 25°C 0°C to 125°C 4.8 4.75 5.2 5.25 V 25°C 100mV IO = mA to 1.5 A 100 25°C mV 15 -1,1 100 IO = mA 0°C to 125°C mV/°C f = 10 Hz to 100 kHz 25°C 40 µV IO = A 25°C V Bảng 1.1: Một vài thông số IC 7805 1.2 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 1.2.1 Cấu trúc và ký hiệu Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter( tương tự Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Công Nghiệp Việt Trì cực gốc) với collector(tương tự với cực máng), mà khơng phải n-n ở MOSFET Vì có thể coi IGBT tương đương với transistor p-n-p với dòng base điều khiển bởi MOSFET Dưới tác dụng áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với hạt mang điện điện tử hình thành, giống ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p ở cấu trúc giữa base collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT b) Sơ đồ tương đương IGBT 1.2.2 Nguyên lý làm việc - Phân cực cho IGBT UCE >0,sau đó vào cực G điện áp điều khiển Uge>0 với giá trị đủ lớn Khi đó hình thành kênh dẫn với hạt điện từ giống MOSFET hạt điện tử di chuyển phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nên dòng Colector - Thời gian đóng cắt IGBT nhanh transistor thường , trể mở khoảng 0,15ms, trễ khóa khoảng 1ms Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dạng điện áp điều khiển +-15V Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì 1.2.3 Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) Vùng làm việc an toàn thể dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động chế độ, dẫn, khóa, trình đóng cắt Khi điện áp đặt lên cực điều khiển emitor dương hình thư hai điện áp âm Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện điện áp lớn Điều có nghĩa chu kì đóng cắt ngắn, ứng với tần số làm việc cao khả đóng cắt công suất suy giảm Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển emitor, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn tốc độ tăng điện áp lớn dẫn đến xuất dòng điện lớn đưa vào vùng p cực điều khiển, tác dụng giống dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại tác dụng cấu trúc thyristor Tuy nhiên khả chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn nhiều so với ở phần tử bán dẫn công suất khác Giá trị lớn nhất dòng cho phép collector cho phép Icm chọn cho tránh tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống ở thyristor Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge phài chọn để có thể giới hạn dòng điện Ice giới hạn lớn nhất cho phép điều kiện có ngắn mạch cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính Khi đó dòng Ice giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó Tiếp theo IGBT phải khóa lại điều kiện đó, nhanh tốt để tránh phát nhiệt mạnh Tránh tượng chốt giữ dòng cách liên tục theo dõi dòng collector điều cần thiết thiết kế IGBT 1.3 IC IR2110 IGBT phần tử bán dẫn có tính nắng ưu việt khả đóng cắt nhanh, công suất điều khiển nhỏ, thay cho transistor công suất thường Vì thế, điều kiện mở khóa nó có những yêu cầu đặc biệt.Khó khăn việc điều khiển với sườn xung dựng đứng Thờigian tạo sườn xung chỉ cỡ 0.1us hoặc nhỏ Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực máng D cản trở tốc độ thay đổ tín hiệu điều khiển 1.3.1 Sơ đồ chân IR2110 Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110 Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110 Hình 1.5: Giản đồ sóng Input Output IC IR2110 Chân 1: Cổng điều khiển cho mức thấp Chân 2: Phản hồi ở mức thấp Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V Chân 5: Điện áp treo trả mức cao Chân 6: Điện áp treo mức cao Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Chân 7: Cổng điều khiển cho mức cao Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20 Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển ở mức cao Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng điều khiển ở mức thấp Chân 13: Chân cấp mass cho IC 1.3.2 Chức Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối driver Tuy nhiên, thời gian khóa IGBT bị kéo dài tải có thể bị kéo khỏi chế dộ bão hòa, tổn thất phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử vật, driver cho IGBT thường mạch lái(hybrid)- tức driver thường kết hợp mạch bảo vệ tải Đặc biệt, những driver cho IGBT công nghiệp những mạch ghép phức tạp để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn chế độ làm việc IGBT sử dụng mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ đến hang chục nghìn KHz Sự cố thường xảy nhất dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía phần tử đóng cắt Vì vậy, để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110 1.4 IC SG3525 1.4.1 Sơ đồ chân Hình 1.6: Sơ đồ chân IC SG 3525 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì - Điện áp hoạt động đến 35VDC - Dải tần số dao động từ 100HZ tới 400 KHz IC SG3525 có những tính ưu việt so với IC 4047 IC TL494 như: lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC, dễ điều chinh độ rộng xung ra, khoảng deal time vừa đủ để tạo chu kì âm mà khơng gây tượng trùng dẫn Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525 Chức chân: Chân 1: Đầu vào đảo Chân 2: Đầu vào không đảo Chân 3: Chân đồng hóa., cho phép đồng xung với dao động gắn Chân 4: Đầu xung dao động Chân 5: Mắc với tụ điện CT=0.1uF- 1nF Chân 6: Gắn với điện trở RT=2kΩ - 150kΩ Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp mắc với trở RD Chân 8: Chân nối với tụ để khởi động êm chế độ soft – start kích hoạt so sánh với điện áp Vref 10 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Tải L + R nối tiếp: Khi cho xung mở T1 T3 ta có phương trình vi phân: L + R.i = E (1) Viết (1) dạng toán tử laplace: pI(p) – i(0) + aI(p) = Trong đó a = i(0) = - Im I(p) = - Và nghiệm phương trình là: i = (1 – – Im (2) Và vận dụng sơ kiện thứ hai, xác định được: Im = Tải R+L song song: Điện áp đặt tải u, có dạng “ hình sin chữ nhật “ , với biên độ �E, Khi T1 T3 mở cho dòng chảy qua, ta có phương trình sau IR = L=E Do đó: il = - t + C Vận dụng kiện thứ nhất, xác định số tích phân: �C = - ILm Vận dụng sơ kiện thứ hai, xác định trị số ILm: ILm = - ILm => 18 ILm = Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA 2.1 Sơ đồ khối toàn mạch KHỐI CHỈNH LƯU NGUỒN 220VAC KHỐI LỌC KHỐI CÔNG SUẤT KHỐI ĐIỀU KHIỂN KHỐI KHUẾCH ĐẠI NGUỒN ĐIỀU KHIỂN Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn mạch 19 TẢI Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì 2.2 Tính tốn, thiết kế mạch động lực 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 20 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì 2.2.2 Tính tốn chọn IGBT - Điện áp đặt vào van: U=310V - Coi tải trở ta có dòng qua van I P 500   2.3A U 220 Coi van công suất chọn phải vào thông số dòng điện điện áp mạch Cụ thể van cơng śt tính chọn phải thỏa điều kiện nhà sản xuất quy định Trong đó thông số thường phải ưu tiên hàng đầu tính chọn va cơng śt điện áp làm việc van Uv; dòng điện hiệu dụng chảy qua van dòng điện trung bình chảy qua van Trong đó điện áp van chọn phải tha man iu kin =(1.6ữ2) => 2ì310 = 620V Con dòng điện van sông suất chọn phụ thuộc vào điều kiện làm mát Nếu va bán dẫn công chỉ làm mát tản nhiệt đối lưu tự nhiên khả chịu dòn điện chỉ 25÷30% dòng định mức ghi van Nếu van bán dẫn công suất làm mát tản nhiệt có quạt gió làm mát khả chịu dòng điện 50÷70% dòng định mức ghi van Nếu van bán dẫn công dược làm mát tản nhiệt có dung dịch làm mát khả chịu dòng điện có thể đạt 100% dòng định mức ghi van.Theo cách ta chọn điều kiện làm mát tản nhiệu đối lưu tự nhiên Vì ta có : I = (25÷30%) IVRMS  IVRMS =(2.3*100)/25=9,2A Chọn van có: = 600V = 10A Căn vào tính tốn ta có thể chọn IGBT : FGA25N120AN Tính FGA25N120AN: - Tốc độ chuyển mạch nhanh - Điện áp bão hòa thấp: VCE(sat) =2.5 V, IC =25A - Trở kháng vào cao Hình 2.3: IGBT FGA25N120AN 21 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Công Nghiệp Việt Trì Ký hiệu Mơ tả FGA25N120AN Đơn vị VCES Điện áp khóa collector- 1200 V VGES emitter Điện áp gate-emitter ± 20 V IC Dòng điện colltter 25 A ICM Dòng điện đỉnh collectter 75 A PD lặp lại Công suất tiêu tán cực đại 125 W TJ (TC=100oC) Nhiệt độ chuyển tiếp chiều (TC=100oC) Ký hiệu VGE(th) VCE(sat) td(on) td(off) tr Định nghĩa Điện áp o -55 đến +150 Điều kiện gate-emitter C Type Đơn 5.5 vị V ngưỡng VCC= 600 V, Ic= Điện áp collector-emitter 2.5 25A, bão hòa RG= 10Ω , VGE= Thời gian trễ mở 60 15V, Thời gian trễ đóng 170 TC = 25°C Thời gian tăng trưởng 60 V ns ns ns Bảng 2.1: Một số thông số FGA25N120A 2.2.3 Bảo vệ IGBT Thông thường IGBT sử dụng những mạch đóng cắt tần số cao, từ đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao vậy, những cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh dẫn đến phá hỏng toàn thiết bị Sự cố thường xảy nhất dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phần tử có lỗi chế tạo hoặc lắp ráp Có thể ngắt dòng IGBT cách đưa điện áp điều khiển giá trị âm Tuy nhiên tải dòng điện có thể đưa IGBT khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công 22 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Công Nghiệp Việt Trì suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khóa IGBT lại thời gian rất ngắn dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng lớn, gây áp collector, emiter, đánh thủng phần tử Bên cạnh đó sảy cố bất ngờ, những ảnh hưởng nhiễu Chính ta phải tính tốn bảo vệ cho van bán dẫn sảy cố… Để bảo vệ ngắn mạch tải dòng điện dùng Aptơmat hoặc cầu chì - Ngun tắc chọn thiết bị theo dòng điện với Ibv = (1,11,3)Ilv -Dòng bảo vệ Aptômat không vượt dòng ngắn mạch máy biến áp Từ ta chọn cầu chì dể bảo vệ với: Ibv = (1,11,3)Ilv= 1.3*2.3=2.99 (A) Ta chọn cầu chì 3A để bảo vệ dòng cho IGBT 2.2.4 Tính tốn làm mát cho IGBT Thiết bị bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ Nếu làm việc nhiệt độ mặt ghép lớp nhiệt độ cho phép Tjm , có thể gây phá hỏng thiết bị bán dẫn Vì việc tính toán tỏa nhiệt cho mặt ghép rất cần thiết: + Khi tính tốn sơ đồ đẳng trị nhiệt thể sau: Trong đó: Tj: Là nhiệt độ mặt ghép Tv: Là nhiệt độ vỏ thiết bị bán dẫn Tr: Là nhiệt độ cánh tản nhiệt Ta: Là nhiệt độ khơng khí mơi trường làm việc Rjv: Nhiệt trở giữa mặt ghép vỏ thiết bị bán dẫn Rvt: Nhiệt trở giữa vỏ cánh tán nhiệt Rra: Nhiệt trở cánh tản nhiệt khơng khí mơi trường 23 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Hình 2.4: Sơ đồ đẳng trị nhiệt + Nhiệt độ truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, công suất nhiệt truyền tỉ lệ thuận với nhiệt sai tỉ lệ nghịch với nhiệt trở Rth ∆P= Trong đó T1 nhiệt độ vùng nóng, T2 nhiệt độ vùng lạnh, nhiệt trờ Rth = Rjv + Rvr + Rra tính - Trong tốn nhiệt thường đưa cho chúng ta biết Tjm, Ta, Rth, ∆P Yêu cầu xác định biện pháp làm mát đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát m/s Hình 2.5: a) Đặc tính vol-ampe b ) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt tốc độ quạt làm mát c) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt môi trường 24 Khoa Điện_Điện Tử Đại Học Cơng Nghiệp Việt Trì Với những dữ kiện ta chọn tản nhiệt tản nhiệt đối lưu có T1 = 155 oC, T2 = 30 oC, ∆P = 125 => Rth=1oC/W ta có thể chọn loại tản nhiệt đây: Hình 2.6: Tản nhiệt tiêu chuẩn 2.2.5 Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT Để khuếch đại tín hiệu điều khiển IGBT có phương án: Biến áp xung IC chuyên dụng Transistor - Khuếch đại biến áp xung có khả cách ly khó khăn cách sử dụng chế tạo - Khuếch đại transistor nhỏ gọn biến áp xung chỉ dùng cho mạch công suất nhỏ - Khuếch đại IC chuyên dụng mạch sử dụng IC IR2110 vừa đáp ứng tần số lớn vừa sử dụng dễ không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu 25 ... Việt Trì Tải L + R nối tiếp: Khi cho xung mở T1 T3 ta có phương trình vi phân: L + R.i = E (1) Viết (1) dạng toán tử laplace: pI(p) – i(0) + aI(p) = Trong đó a = i(0) = - Im I(p) = - Và nghiệm