CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
3.3. Tính toán thiết kế phần điện
3.3.1. Tính toán thiết kế tối ưu bộ chuyển đổi DC-AC
Cấu trúc mạch chuyển đổi DC-AC được xây dựng gồm bốn khối bộ phận chính, thực hiện chuyển đổi từ điện áp 12 VDC sang điện áp 220 VAC tần số 50 Hz thực sine, trong đó việc thiết kế tối ưu được thực hiện theo tiêu chí tổn hao năng lượng là nhỏ nhất và chất lượng điện áp phát ra theo tiêu chuẩn điện lưới quốc gia Việt Nam.Chức năng của từng khối bộ phận được tính toán và thiết kế với các sơ đồ mạch chi tiết sau.
Mạch tạo dao động xung sử dụng IC TL494C:
Mạch dao động sử dụng IC TL494C để tạo ra hai tín hiệu dao động luôn ngược pha nhau tại tần số 33 kHz, tín hiệu được lấy ra ở chân 9 và 10 của IC TL494C (xem hình 3.9). Trong đó mạch dao động RC với điện trở R56 = 33 kΩ và tụ điện C27 = 1 nF được nối ghép tại chân 5 và 6 của IC [32,60-62]. Hai tín hiệu dao động ngược pha này có chức năng phối ghép đầu vào với tầng khuếch đại điện áp DC-DC để khuếch đại điện áp từ 12 VDC lên 330 VDC thông qua các cuộn biến áp ferrite.
Với tần số mạch dao động RC được xác định bởi công thức [32,60,62,66,69]:
1 . , 1
f RC (3.9)
Trong đó hai tín hiệu dao động ngược pha được khuếch đại ổn định và đưa đến hai đầu vào ở cuộn sơ cấp biến áp ferrite.
C28 4.7u C29
393
R55 2.2K
Q20 A1013 R59 1.8K
V 12
D34
4148 D32
4148
R54 1M R58
18k
C30 10u
U20
TL494C 12 VCC
1 IN1+
2 IN1- 16 IN2+
15 IN2-
C1 8 C2 11
3 COMP 4 DTC 13 OC
E1 9 E2 10 5 CT
146 VREFRT R56 33K
C27102 Q21
A1013 R57 10K
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động IC TL494C [60]
Mạch tạo dao động với microchip PIC16F716:
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tạo tín hiệu xoay chiều thực sine, trong luận án sử dụng nguồn tạo dao động từ microchip PIC16F716 gồm 18 chân với tần số lấy mẫu 20 MHz, tần số chuyển mạch 20 kHz, để phát ra hai tín hiệu dao động sine luôn ngược pha và cấp đến hai nửa mạch cầu H. Tín hiệu mức cao được đưa đến chân 10 (H_IN) và mức thấp đến chân 12 (L_IN) của hai IC IR2110 và xuất ra tại chân 1 và 7 của chúng. Ở đây IC IR2110 có chức năng khuếch đại, ổn
định và đồng bộ tín hiệu phát, đồng thời so sánh nhận phản hồi về từ đầu ra, ngoài ra có thể sử dụng để điều khiển ngắt tín hiệu phát ra qua chân 11 của chúng thông qua điện áp phản hồi về IC được nhận tại chân 5.
Y1 20M C16 22n
C17 22n
R43 1K R45 1K
R46 1K
U4
IR2110
LO 1
HO 7
10 HIN
11 SHDN 12 LIN
13VSS 2 COM
VB 6
VCC3 VDD9
VS 5
R50 22R R49 10K
R47 10K
R51 330R U7
16F716
GND 5
VDD
14
OSC2/CLKOUT 15
MCLR4
OSC1/CLKIN 16
RA017 RA118
RA21
RA32
RA4/TOCKI3
RB0/INT 6
RB1 7
RB28
RB39
RB410
RB511
RB612RB713
R48 1K
VDK
U8
IR2110
LO 1
HO 7
10 HIN
11 SHDN 12 LIN
13VSS 2 COM
VB 6
VCC3 VDD9
VS 5
U9
521
1 2
4 3
R42 1K
U10
521
1 2
4 3
DD
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động sine tần số 50 Hz [60]
Tầng khuếch đại DC-DC:
Tầng khuếch đại DC-DC có chức năng khuếch đại từ điện áp 12 VDC lên điện áp 330 VDC và truyền đến phần mạch chuyển đổi điện áp DC-AC. Nhằm giảm kích cỡ biến áp và tổn hao năng lượng trong biến áp, biến áp được chọn sử dụng là biến áp lõi ferrite hoạt động với tần số 33 kHz [60,69,70]. Các biến áp được tính toán sử dụng gồm năm biến áp ferrite T7, T8, T9, T10, T11 và mười IC công suất IRF 1404. Các biến áp ở phần cuộn sơ cấp có ba đầu vào, điểm giữa được nối với điện áp nguồn cấp ổn định 12 VDC, hai đầu còn lại được nối với hai tín hiệu dao động xoay chiều luôn ngược pha nhận từ mạch phát dao động TL494C qua chân 5 và chân 7 của IC IR4427. Tại các đầu ra trên các cuộn thứ cấp của biến áp thông qua các cầu diode chỉnh lưu cho điện áp một chiều 330 VDC, cùng các thành phần
tần số hài hoà ba bậc cao không mong muốn lẫn vào. Do vậy mạch lọc LC được xây dựng gồm cuộn cảm L, tụ điện được chia thành hai tụ C1 và C2 có tác dụng lọc chặn bỏ toàn bộ các tần số hài hoà ba đó với tổn hao năng lượng là nhỏ nhất.
Các giá trị của cuộn cảm Lf và tụ điện Cf của mạch lọc LC cần được chọn sao cho dung kháng nhỏ, cảm kháng lớn và thoả mãn điều kiện [32,33,39,60,66]:
1 .
2
f f
f L C
(3.10)
Trong đó, độ tự cảm Lf của mạch lọc được xác định [32,60,66,68]:
2f Imax, Lf DVout
(3.11)
với hệ số làm việc D = 0,5, để nhận được mức điện áp một chiều sau tầng khuếch đại DC-DC là Vout = 330 VDC, trong đó f = 33 kHz, giá trị thăng giáng cường độ dòng điện tại đầu ra ở các cuộn thứ cấp của biến áp được xác định ΔImax = 0,605 A (10% dòng cực đại). Thay giá trị và tính toán, ta được:
).
( 1 , 605 4 , 0 . 10 . 33 . 2
330 . 5 , 0
3 mH
Lf
Do vậy, cuộn cảm có giá trị độ tự cảm 4,1 mH. Để thoả mãn các điều kiện trờn, qua tớnh toỏn ta chọn hai tụ điện cú giỏ trị 330 àF/600 V được ghộp mắc song song.
Tính thông số cuộn biến áp:
Để tránh cường độ dòng điện làm việc lớn trên cuộn sơ cấp của biến áp, trong sơ đồ mạch đã thiết kế sử dụng năm biến áp loại ferrite mắc song song, với tác dụng chia cường độ dòng điện hoạt động đều lên năm cuộn biến áp, cũng như giảm kích cỡ dây quấn cho từng biến áp và đảm bảo tổn hao trong biến áp là nhỏ nhất.
Mỗi cuộn biến áp được thiết kế với công suất hoạt động đến 400 W. Do vậy, tổng công suất đầu ra của mạch khuếch đại DC-DC sử dụng năm biến áp ferrite sẽ cho công suất 2000 W [60,65-69].
Cường độ dòng điện trên cuộn thứ cấp:
).
( 21 , 330 1 400
2 2
2 A
U
I P (3.12)
Xác định đường kính dây quấn trên cuộn thứ cấp với mật độ dòng điện J = 4,5 A/mm2, ta có:
).
( 58 , 5 0 , 4 . 14 , 3
21 , 2 1 2
2 2 2
2 mm
J I
d s
(3.13)
Tiết diện dây quấn sơ cấp được xác định theo công thức:
,
1 2
1 U J
s P
(3.14)
và đường kính dây quấn trên cuộn sơ cấp được xác định từ biểu thức:
).
( 23 , . 3 5 , 4 . 12 . 9 , 0 2 400 2
2
1 2 1
1 mm
J U
P
d s
(3.15)
Trên cơ sở đường kính dây quấn của biến áp và độ lớn cường độ dòng điện hoạt động trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp, qua tra cứu tài liệu về biến áp ferrite của hãng Magnetics Inc. [69,70], trong luận án đã chọn kích cỡ lõi biến áp ferite (1,5x1,5x5) cm3.
Số vòng cuộn sơ cấp được xác định:
104 ,
1 1
Bkf
fA N U
c
(3.16)
trong đó:
Điện áp đầu vào: U1 = 12 VDC Tần số: f = 33 kHz
Diện tích lõi quấn dây: Ac = 1,5x1,5 = 2,25 cm2 Cảm ứng từ: B = 0,18 T
Hệ số: kf = 4
Thực hiện tính toán ta được:
. 25 , 4 2 . 18 , 0 . 25 , 2 . 10 . 33
10 . 12
3 4
1
N
Để tránh sự bão hoà trong lõi biến áp ta chọn N1 = 4 vòng.
Với điện áp đầu ra tại cuộn thứ cấp U2=330 V, bỏ qua sụt áp trên cầu diode cỡ ≤ 0,6 V, số vòng cuộn thứ cấp được xác định bởi:
).
( 110
1 1
2 2 vòng
U N
N U
S
L2 4,16mhH
1
3
+ C2
330uF + C3
330uF
R44 3.3K R52
3.3K
330VDC
U1
IR4427 3 OUT 4 RST
VCC 8
1 GND
CV 5
2 TRG
THR 6
DSCHG 7
Q1 IRF140 R1
R R2
R
Q2 IRF140 R3
R R4
R
D28 D29 D26
D27 VCC
R22 10K
R23 10K
Q3 IRF140 R5
R R6
R
Q4 IRF140 R7
R R8
R VCC
T7 1
4 5
6 7
8 2 3
Q5 IRF140 R9
R R10
R
Q6 IRF140 R11
R R12
R VCC
1 T8
4 5
6 7
8 2 3
D30 D31 T9
1
4 5
6 7
8 2 3
1 T10
4 5
6 7
8 2 3 Q7
IRF140 R13 R
Q8 IRF140
R14 R
VCC
T11 1
4 5
6 7
8 2 3
D22
D23
330VDC
D1 D2
D3 D4
C10.1uF D5
D6
D7 D8
DIODE
D9 D10
DIODE
330VDC
D24
D25
Q9 IRF140 R15
R R16
R
Q10 IRF140 R17
R R18
R VCC
330VDC330VDC330VDC
+
C4
330uF
D20
+
C5
330uF
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại DC-DC [60]
Tầng công suất mạch chuyển đổi DC-AC:
Trong luận án mạch công suất sử dụng các IC công suất loại IGBT 40N60A, mỗi IC theo nhà cung cấp đưa ra cho phép điện áp đặt vào lên tới 600 V và cường độ dòng điện 75 A. Hình 3.12 đưa ra sơ đồ nguyên lý của tầng công suất mạch chuyển đổi DC-AC được thiết kế như sau:
Title
Size Document Number Rev
Date: Sheet of
<Doc>
<Title>
A3
1 1
Thursday , May 10, 2012 D15
4148R32
22R R33 3.3K
D16
4148R34
22R R35 3.3K R41
2.2R
D17
4148R36
22R R37 3.3K
D18
4148R38
22R R39 3.3K
C20 105 Q11 40N60
32
1
C21 105 Q12 40N60
32
1
Q13 40N60
32
1
Q1440N60
32
1
Q15 40N60
32
1
Q16 40N60
32
1 D11
4148R24
22R
C22 104
Q17 40N60
32
1
Q18 40N60
32
1 R25 3.3K
C18 225
S
L1 2mH
1
3 S
L3 2mH
1
3
TP1 D12
4148
TP2
T13
15 48
R26
22R
C23
225 R27
3.3K
220V AC 220V AC
C24104 D13
4148R28
22R R29 3.3K
R21
0.15R
1 1 2 2
D14
4148 R30
22R R31 3.3K
Từ sơ đồ nguyên lý mạch công suất ta thấy tín hiệu từ chân 1 (LO) của IR2110 (U4) được đưa đến chân G điều khiển của IC công suất Q12, Q14 và chân 7 (HO) được đưa đến chân G điều khiển của IC công suất Q11, Q13. Điện áp 330 VDC được đặt vào chân C của hai IC công suất Q11, Q13. Các chân E của Q11,
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điện áp 220 VAC [60]
Q13 và chân C của Q12, Q14 được nối lại với nhau và đưa điện áp ra tại nửa mạch cầu H thứ nhất.
Tương tự, tín hiệu từ chân 1 (LO) của IR2110 (U8) được đưa đến chân G điều khiển của IC công suất Q16, Q18 và chân 7 (HO) được đưa đến chân G điều khiển của IC công suất Q15, Q17. Điện áp 330 VDC được đặt vào chân C của hai IC công suất Q15, Q17. Các chân E của Q15, Q17 và chân C của Q16, Q18 được ghép nối với nhau và đưa điện áp ra tại nửa mạch cầu H thứ hai.
Điện áp nhận được sau cầu H ngoài thành phần chính điện áp 220 VAC, tần số 50 Hz còn có một số thành phần tần số hài hoà ba bậc cao do nhiễu mạch điện tạo ra.
Để nhận được nguồn điện 220 VAC tần số 50 Hz thực sine, ta cần thiết kế bộ lọc tần số 50 Hz tại đầu ra, bộ lọc này được thiết kế sao cho không làm suy yếu mức điện áp 220 VAC tần số 50 Hz nhưng phải lọc bỏ được toàn bộ các thành phần tần số hài hòa ba bậc cao. Ở đây ta sử dụng các bộ lọc LC gồm hai cuộn cảm 2 mH và hai tụ điện 2,2 àF/600 V.