Đề tài Thiết kế & chế tạo mạch nghịch lưu một pha

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ Hưng Yên, tháng 11 năm 2013. Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Đình Hùng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa... Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha”. Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình.Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Hoàng Anh Tuấn Nguyễn Xuân Tùng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT,NGHỊCH LƯU 1. Giới thiệu về các van bán dẫn công suất. Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là: Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. 1.1. Điốt công suất. 1.1.1. Chất bán dẫn • Chất bán dẫn tạp loại P: Khi ta trộn thêm một lượng vừa đủ một nguyên tố ở phân nhóm 3 vào Silic hoặc Ge (phân nhóm 4) nguyên tố này có 3 e thuộc lớp ngoài cùng như vậy nó sẽ bị thiếu 1e để tham gia liên kết với Si hoặc Ge. Kết quả trong mạch tinh thể bị dưa ra các lỗ trống.Lỗ trống mang điện tích dương Positive và ta gọi là bán dẫn loại P và hạt thiểu số là e. • Chất bán dẫn tạp loại n: Khi ta trộn thêm một lượng vừa đủ một nguyên tố ở phân nhóm 5 vào Si hoặc Ge (thuộc một công nghệ đặc biệt) nguyên tố này có 5e ở lớp ngoài cùng, như vâỵ sẽ thừa ra một e. Khi tham gia liên kết với Si hoặc Ge, kết quả trong mạng tinh thể bị dư ra các e, các e mang điện tích âm Negative, và ta gọi chất bán dẫn này là loại N. Hình 1: Hình dạnh và ký hiệu 1.1.2. Nguyên lý làm việc a) Khi phân cực thuận: Ta thực hiện mạch bên với điều kiện điện áp của nguồn ngoài Un sẽ tạo ra một điện trường En>Etx (và ngược với Etx) kết quả ta được điện trường tổng đặt nên tiếp giáp J Et=En+Etx có chiều hướng đi từA tới K chiều của điện trường này tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt đa số di chuyển dễ dàng (vùng P hạt đa số là lỗ trống, vùng N hạt đa số là e) làm cho dòng điện khuyếch tán lớn đi từ A tới K và hầu như toàn bộ điện áp ngoài đặt vào J. b) Phân cực ngược: Ta đấu A vào âm của nguồn ta đấu K vào dương của nguồn Kết quả Et =En+Etx có chiều hướng làm cho các hạt thiểu số di chuyển dễ dàng và ngăn cản các hạt đa số. Do mật độ hạt thiểu số rất nhỏ nên chỉ có một dòng điện rất nhỏ qua J gọi là dòng rò đi từ K tới A c) Đặc tính Volt-Ampere (V-A) Hình 2: Đặc tính Volt-Ampere (V-A) Nếu đặt EAK>0 sẽ có dòng điện chảy qua và tạo ra một điện áp rơi khoảng 0,7v (với Si) . Khi dòng điện là Iđm Nếu điện áp UAK< 0 các điện tử tự do và các lỗ trống bị đẩy ra xa J kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA có thể chảy qua .Khi tiếp tục tăng điện áp UAK theo chiều âm thì các hạt thiểu số sẽ được tăng tốc với động năng lớn và gây ra va chạm làm bẻ gẫy các liên kết vùng J theo hình thức dây truyền, kết quảlà hàng loạt các điện tích mới được sinh ra ởvùng J làm cho dòng điện tăng đột ngột, dòng này sẽphá hỏng diode. Trị số điện áp ngược gây hỏng van diode gọi là Ungmax (trị số điện áp ngược cực đại ). Trong thực tế điện áp ngược cho phép đặt vào van: Ungthực tế = (0,7÷0,8) Ungmax của van thì van an toàn. -Khi đặt một hiệu điện thế UAK> 0 điện tử vùng N vượt qua vùng mặt ghép J sang miền P và đến cực dương của nguồn. Nếu bỗng nhiên đặt UAK<0, các điện tử ở vùng P phải quay về vùng N. Sự di chuyển này tạo nên dòng điện ngược chảy qua diode từ K tới A trong thời gian ngắn,nhưng cường độ dòng điện này lớn hơn hơn nhiều so với dòng điện ngược bình thường. Ban đầu dòng điện ngược này khá lớn, sau đó suy giảm và khoảng một thời gian toff (turn off time) nó giảm xuống gần bằng không.Giá trị của toff cỡ µs. -Đang ở chế độ khoá, dòng điện ngược qua van rất nhỏ, không đáng kể, nếu bỗng nhiên đặt UAK>0 và diode, dòng điện I không thể tức thời đạt giá trị U/R mà phải mất một khoảng thời gian ký hiệu là ton (turn on time ) để các điện tích đa số dòng loạt di động,ton cỡ µs (micro giây) . -Khi tần số nguồn F≥100Khz thì diode sẽ mất tính dẫn điện theo một chiều( mất chế độ khóa ) . 1.2. Tiristor ( SCR ). Tirirtor là một thiết bị gồm bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo thành, tirirtor phải được cấp một xung dương thì nó mới hoạt động. Do đó SCR thiết kế phải có 3 chân : chân Anot, Katot và chân điều khiển G. Hình 4: Cấu tạo của tiristor Hình 5: Ký hiệu và hình thực tế Nguyên lý hoạt động : Đặt Tiristor dưới điện áp một chiều, Anốt nối vào cực dương, Katôt nối vào cực âm của nguồn điện áp. J1 J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J2 điện trường nội tại Ei của J2 có chiều từ N1 hướngvề P2 điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua Tiristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp. + Mở Tiristor: Cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương xo với K) các điện tử từ N2 sang P2. Đến đây, một số ít các điện tử chảy vào cực G và hình thành dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G-J3-K-G còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, tăng tốc, động năng lớn bẻ gãy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tử Silic trong vùng kế tiếp. Kết quả của phản ứng dây truyền làm xuất hiện nhiều điện tử chạy vào N1 qua P 1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép. Địên trở thuận của Tiristor khoảng 100K Ω khi còn ở trạng thái khoá, trở thành 0,01Ω khi Tiristor mở cho dòng chạy qua.Tiristor khoá +UAK > 1V hoặc Ig > Igs1 thì Tiristor sẽ mở. Trong đó Igs1 là dòng điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu Tiristor. Ton: thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trong Tiristor, tình từ thời điểm phóng dòng Igvào cực điều khiển. Thời gian mở Tiristor kéo dài khoảng 10 s µ . + Khoá Tiristor: có hai cách làm giảm dòng làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì đặt một điện áp ngược lên Tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor: UAK<0, J 1và J 3bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ Katốt về Anôt, về cực âm của nguồn điện ngoài. Thời gian khoá toff: thời gian khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược (t0). Hình 6: Đặc tính V – A của tiristor 1.3.Triắc Triắc là thiết bị bán bẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt – ampe đối xứng, nhận góc mở cho cả hai chiều.Thực chất Triắc được chế tạo giống như 2 SCR ghép song song với nhau, dùng để dẫn dòng AC cả hai chiều khi cực G được kích xung dương hoặc áp âm. Hình 7: Ký hiệu triac A1 và A2 là hai đầu nối để dẫn dòng điện chính, G là cực điều khiển Triac có thể dẫn dòng theo một trong trường hợp sau. Hình 8: Đặc tính V- A của Triac 1.4. Transitor BJT công suất 1.4.1. Cấu tạo và ký hiệu: Transistor lưỡng cực có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P,N mà ta có hai cấu trúc khác nhau pnp, npn. Cấu tạo Hình 9: Cấu tạo và ký hiệu của transistor Miền thứ nhất của transistor là miền Emiter với đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là emitơ E. Miền thứ hai là miền Bazơ với nồng độ tạp chất và độ dày nhỏ nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực bazơ B.Miền còn lại là miền collect với nồng độ tạp chất trung bình được nối với cực colectơ. Tiếp giáp giữa p-n của E-B là tiếp giáp Emintơ JE, tiếp giáp p-n giữa B-C là tiếp giáp Colectơ về ký hiệu cần chú ý chiều mũi tên hướng từP-N 1.4.2. Nguyên lý làm việc: Để transistor làm việc người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho transistor. Đối với tất cả 2 loại PNP hay NPN cần phân cực cho: Hình 10: Diện áp phân cực cho trasistor Je phân cực thuận Jc phân cực ngược. Cụ thể ta xét quà trình phân cực cho loại PNP. Transistor làm việc ở chế độ khoá (đóng hoặc mở) cho nên UCE Do tiếp giáp JE được phân cực thuận nên các hạt đa số chuyển động dễ dàng qua tiếp giáp JE tới vùng bán dẫn bazơ, kết quả là làm điện trở của tiếp giáp JE giảm và làm xuất hiện dòng điện IB.Lớp Jc bị phân cực ngược nhưng E2>>E 1 nên điện trường E2 tạo ra khá lớn,và do lớp bán dẫn bajơ mỏng ,nên chỉ một phần điện tích đi tới cực B, còn phần lớn các điện từ bị J2 hút về và đi tới nguồn dương tạo ra dòng colectơ quá tải Rt ,IE= IC+IB, IB dòng điện khiển . Khi U BE giảm IB↓I C .Khi U BE=0 hoặc U BE<0 (phân cực ngược cho JE ) thì JE ngăn cản sự di chuyển các hạt đa số di chuyển qua nó à IC=0 .Transistor bị khoá . Các thông số cơ bản của Transistor ở chế độ đóng cắt : - ICMAX : Dòng điện colectơ cực đại . - UCES: Điện ápUCE khi transistor khoá (IB=0) . - USC : Thời gian đóng của transistor, là khoảng thời gian để điện áp UCE0 giảm xuống UCES(chưyền từkhoá sang mở) – Tf thời gian cần thiết để IC giảm tới không (chuyển từ mở bão hoà sang khoá ). - Ts thời gian cần thiết để tăng UCE từ UCES UCE0. - PT công suất tổn thất trong transistor PT =U BE.I B+U CE.I C .Họ đặc tính tĩnh của transistor ở chế độ khoá : Đó là mối quan hệ I C =F(UCE) Hình 11: Đặc tính V –A của transistor ngược Vùng 1: Vùng khuếch đại tính tĩnh . Vùng 2: Vùng khuếch đại bão hoà . Vùng 3: Vùng van bị đánh thục. Vùng 4:Vùng van bị đánh thủng. 1.5. Transistor MOS công suất ( MOSFET ). Hình 12: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh n Transistor MOS có ba cực : D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra máng. S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bán dẫn. G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển. Tương đương về thuật ngữ giữa Transistor MOS và Transistor lưỡng cực. Transistor MOS Transistor lưỡng cực D Colectơ C S Emitơ E G Bazơ B VDD : nguồn điện máng. VCC VGG : nguồn điện cổng. VBB ID : dòng điện máng. IC Để phân cực cho MOSFET người ta đặt một điện áp U DS >0 (loại kênh n đặt sẵn,suất hiện dòng điện tử trên kênh dẫn nối giữa Svà D và trong mạch ngoài có dòng điện cực máng ID (đi vào D ) ngay cả khi UGS=0. -Nếu đặt UGS>0, điện tử tự do trong vùng đế (là hạt thiểu số) được hút vào vùng kênh dẫn đối diện với cực cửa làm giầu hạt dẫn cho kênh dẫn, tức làm giảm điện trở của kênh dẫn, làm dòng điệncực máng ID tăng,chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của MOSFET. -Nếu UGS0, tại vùng đế đối diện cực G xuất hiện các Etd (do cảm ứng tĩnh điện ) và hùnh thành kênh dẫn nối liền D-S .Khi UGS tăng thì R kênh giảm à ID tăng . MOSFET vảm ứng chỉ làm việc khi UGS>0 và làm việc ở chế độ giàu kênh. Hình 13: Đặc tính V- A của MOSFET 1.6. Máy biến áp và acquy. 1.6.1 Máy biến áp. - Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Hệ thống điện đầu vào máy biến áp ( trước lúc biến đổi ) có : điện áp U1, dòng điện I1, tần số f. Hệ thống điện đầu ra của máy biến áp ( sau khi biến đổi ) có : điện áp U2, dòng điện I2 và tần số f. - Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp.Đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp. Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1 : số vòng dây sơ cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1. Các đại lượng và thông số thứ cấp có chỉ số 2 : số vòng dây thứ cấp w2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2. - Nếu điện áp thứ cấp lớn hơn sơ cấp là máy biến áp tăng áp. Nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp gọi là máy biến áp giảm áp. Máy biến áp có hai bộ phận chính : lõi thép và dây quấn. + Lõi thép máy biến áp : - Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt, thướng là thép kỹ thuật điện. Lõi thép gồm hai bộ phận : - Trụ là nơi để đặt dây quấn. - Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Trụ và không tạo thành mạch từ khép kín. Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng lá thép kỹ thuật điện ( dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mạch có sơn cách điện ) ghép lại với nhau thành lõi thép. + Dây quấn máy biến áp : - Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm ), có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. - Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi thép. Máy biến áp có hai thường có hai hoặc nhiều dây quấn. Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt ra lồng ngoài. Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện. a : Lõi thép máy biến áp b : Dây quấn máy biến áp Hình 14 :Lõi thép và dây quấn máy biến áp -Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong một thùng chứa dầu máy biến áp.Đối với biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu dầu có chứa cánh tản nhiệt. 1.6.2. Ăcquy. -Ăcquy là loại bình hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, bóng đèn làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử vv... Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng nạp điện. Sự tự phóng nạp điện. Năng lượng nạp điện và bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăcquy phóng ra. - Điện trở trong của ác quy nhỏ. Nó bao gồm điện trở của các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn các bản cực. Thường trị số điện trở trong của ac quy khi đã nạp điện đầy là 0.001 Ω đến 0.0015 Ω và khi ăcquy phóng điện hoàn toàn là 0.02 Ω đến 0.025 Ω Quá trình nạp điện cho ăcquy Hình 15: Quá trình nạp điện cho ắc quy - Có hai loại ăcquy là: ăcquy axit ( hay ăcquy chì ) và ăcquy kẽm (ăcquy sắt kền hay ăcquy cadimi - kền ). Trong đó ăcquy axit được dùng rộng rãi và phổ biến hơn. 2. Nghịch lưu. 2.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu. Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha.... Phân loại: Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và nghịch lưu độc lập . Trong đó nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha và thứ tự pha phụ thuộc vào lưới điện mà đầu ra của nó mắc song song vào. Nghịch lưu độc lập lại được chia ra nghịch lưu độc lập nguồn áp và nguồn dòng. Trong đó nghịch lưu độc lập nguồn áp thì luôn định ra một điện áp có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, điện áp thường có dạng hình chữnhật còn dòng điện phụthuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ Còn nghịch lưu độc lập nguồn dòng thì luôn định ra một dòng điện có biên độ, tần số, góc pha và thứ tự pha không phụthuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển, dòng điện thường có dạng hình chữnhật còn điện áp phụ thuộc vào tải có thể là hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ 2.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha 2.2.1. Thiết bị biến đổi dòng điện một pha a. Sơ đồ một pha có điểm trung tính Hình 16: Sơ đồmột pha có điểm trung tính Sơ đồgồm một máy biến áp có điểm giữa phía sơ cấp, hai Tiristor anôt nối vào cực dương của nguồn nuôi E thông qua hai nửa cuộn dây sơcấp của máy biến áp, do đó còn có tên là onduleur song song. Ở đầu vào của onduleur dòng ta đấu nối tiếp với một điện cảm lớn LK vừa để giữcho dòng điện vào để hạn chế đỉnh cao của dòng điện Ickhi khởi động. Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.Đặc điểm của onduleur dòng là có dòng điện tải dạng “Sinus chữnhật” còn dạng điện áp trên tải thì do thông số mạch tải quyết định. 2n1 là tổng số vòng dây sơ cấp. n2 là sốvòng dây thứcấp. i,v là dòng và áp phía thứcấp. Hoạt động của sơ đồ:Giả thiết cho xung mở T1 điểm A được T1 nối với cực âm của nguồn E. bấy giờV 0 –VA= u1= E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nênVB =Vo = u1= E.như vậy tụ điện C được nạp điện áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải. Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristor này mở và đặt điện thế điểm B vào mạch catôt T 1 khiến T 1 bị khoá lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để khoá T2 khi ta cho xung mở T1 Phía thứ cấp ta nhận được dòng “Sinus chữnhật” mà tần số của nó phụ thuộc vào nhịp phát xung mởT1,T2 b. Sơ đồ cầu một pha. : Hình 17: Sơ đồ cầu một pha Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Tiristor T1, T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3 ,T4 một góc 180o Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn (Ld= ∞), do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện i = id= Id. Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i = ic = it=Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mởcặp van T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từcực (+) vềcực (-) . Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khoá lại.Quá trình chuyển mạch gần như tức thời. Sau đó tụC sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ởbên trái. Dòng nghịch lưu i =id=-Id (đã đổi dấu). Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mởT1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước. Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Tiristor. Tại thời điểm t1 khi mởT3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược ( t1 -t’1 ) là cần thiết để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tính điều khiển của van và t’1- t01= tk ≥ toff là thời gian khoá của Tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển. kt .ω β = là góc khoá của nghịch lưu. 2.2.2. Nghịch lưu điện áp 1 pha a.Sơ đồ không điều chế Hình 18: Sơ Đồ mạch điện Trong đó : -T1,T2,T3,T4: Là các thyristor có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải. -R, L: là phụ tải của động cơ điện xoay chiều. -D1,D2,D3,D4: Là các diôt dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi. -is: Là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa. Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor dẫn dòng) Khi is < 0 thì tải năng lượng về nguồn nuôi (các diôt dẫn dòng). C: Tụ lọc. MBA: máy biến áp 1 pha có điện áp sơ cấp đặt lên các van và điện áp thứ cấp đặt lên tải. *Nguyên lý làm việc : Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (Dòng tải đi từ B→A). Khi t=0 cho xung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khóa lại, dòng tải i=-Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó chảy tiếp theo chiều cũ nhưng theo mạch D1→E→D3→tải→D1 và suy giảm dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t=t1, i=0, D1 và D3 bị khóa lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác động ở các cực G1, G3 dòng tải i>0 và tăng chảy theo chiều từ A→B. Giai đoạn từ t=0 cho đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng. Khi t=T/2 cho xung mở T2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại, dòng chảy qua D2 và D4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t=t3, i=0, T2 và T4 sẽ mở lại, i<0 chảy theo chiều B→A. Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im. Các xung điều khiển Thyristor thường là xung chùm. *Biểu thức của dòng tải i: + Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3 ta có phương trình : Ldidt + Ri = E didt +ai =a.ER Dưới dạng toán tử Laplace ta có p.I(p) - i(0) + a.I(p) = a.ER.p Trong đó : i(0) = -Im và a = RL do đó: i = ER(1-e-at)-Im.e-at + Khi đó xung mở T2 và T4 ta có phương trình : -Ldidt –Ri = E Và i=ER[1-e-a(t-T/2)]+Im.e-a(t-T/2) CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU 1. Phương án lựa chọn . a. Phương án 1: Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T và T dao động đa hài phát ra tín hiệu đóng. Hai Transistor T và T mắc cùng với bốn điện trở, trong đó có sử dụng trở công suất thành mạch tạo ra xung vuông. Dùng các cổng logic : Có thể dùng các cổng logic như các cổng NAND, NOR, cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400. Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC 4047B, SG3525 là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC khuyếch đại thuật toán. Sơ đồ: Hình 19: Sơ đồ mạch nghịch lưu dung 4047 Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay chiều nhưng có nhược điểm độ ổn định không cao . b. Phương án 2: Ta sử dụng ic SG3525,với nhiều tính năng ưu việt hơn, lấy nguồn trực tiếp 12v mà không cần bộ biến đổi nguồn nuôi cho ic. Dễ điều chỉnh độ rộng của xung ra, khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kỳ xung âm mà không xảy ra hiện tượng trùng dẫn. SG 3525 đưa ra xung trên 2 chân 11và 14 là dạng xung lấy từ emitơ của 2 transistor, bên trong SG3525. Khi có xung tạo ra do dao động của mạch RC tại chân 6 va7 tạo ra với f=50hz, qua mạch lật trạng thái đưa 2 xung trên emitơ lệch nhau 180 độ. Điện áp ra từ chân 11-14 đưa vào cực G và kích mở cho mosfet IRF3205, với hai xung đưa ra liên tục kích mở và đóng với tần số f=50hz. Do máy biến áp điểm giữa sẽ tạo ra 2 sđđ lệch pha nhau 180o trên cuộn sơ cấp máy biến áp. 2. Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của ic SG 3525 Hình 20: Sơ đồ chân SG3525 •8.0 V to 35 V Operation •5.1 V ±1.0% Trimmed Reference •100 Hz to 400 kHz Oscillator Range •Separate Oscillator Sync Pin •Adjustable Deadtime Control •Input Undervoltage Lockout •Latching PWM to Prevent Multiple Pulses •Pulse–by–Pulse Shutdown •Dual Source/Sink Outputs: ±400 mA Peak Hình 21: Sơ đồ khối và chức năng. Chức năng các chân : Pin 1-Inv.input : Đầu vào đảo Pin 2-Noninv.Input : Đầu vào không đảo. Pin 3-Sync : Chân đồng bộ hóa,cho phép đồng bộ xung với các đơn vị khác hoặc với bộ dao động gắn ngoài. Pin 4-OSC Output : Đầu ra xung của bộ tạo dao động gắn trong. Pin 5-CT :Chân này gắn với một tụ điện quyết định tần số dao động của bộ dao động dẫn đến quyết định xung ra,CT =0.001uF-0.2uF Pin 6-RT : Gắn với một điện trở để quyết định tần số của bộ tạo dao động quết định xung ra,RT=2.0 kΩ - 150 kΩ Pin 7- Discharge : Chân xả tụ ,chân này được nối với tụ và 1 điện trở gắn với CT sẽ quyết định thời gian cách giữa các xung . Pin 8-Soft-Start : Chân này nối với 1 tụ giúp khởi động êm hơn và chế độ soft-start được kích hoạt khi so sánh với điện áp tham chiếu Vref. Pin 9-Compensation : Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra sẽ bù nếu có sai lệch về xung . Pin 10- Output A : Đầu ra A, xung vuông đương. Pin 12- Grond : Nối đất Pin 13-Vc :Điện áp collector của trasistor mắc Dralington trong SG 3525.Điện áp cấp vào Pin này từ 4.5 đến 35v. Pin 14- Output B : Đầu ra B,xung vuông dương nhưng lệch so với xung ra ở chân A Pin 15-Vcc: Điện áp vào.Dải điện áp hoạt động từ 8V - 35V Pin 16-Vref : Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5.0v cao nhất là 5.2v thông thường là 5.1 V dòng lớn nhất vào pin này là 50mA tối ưu là 20mA.Điện áp này sẽ dùng để so sánh với điện áp vào chân Soft-Start để tham chiếu chế độ Sorft-Start và Sutdown . Hoạt động của IC SG 3524 như sau: - Phần ổn áp: chân 15 đầu vào của điện áp nguồn , sau đó đưa ra điện áp 5v cấp cho toàn bộ hoạt động của mạch nội (với chân 16 nhận điện áp 5v). Đưa ra 50mA với các mạch điện bên ngoài. - Phần tạo dao động: các mạch dao động nội bộ tần số hoạt động cho việc điều chỉnh chuyển đổi. Các sóng dao động với điện áp từ 1v đến 3,5v.Tần số được thiết lập bởi một điện trở chân 6 và một tụ điện chân 5. Thời gian nghỉ trong hai tín hiệu đầu ra, được điều chỉnh từ chu ky dao động của tụ điện trên chân 5 - Tín hiệu đầu ra: tín hiệu ra được lấy từ hai chân 11 và 14. Khi có xung đưa ra kích mở cho transistor, chân 11 và 14 lần lượt có điện áp ra ,vởi dòng khoảng 100mA. Hai van bán dẫn được điều khiển lệch nhau 180 độ, do mạch lật trạng thái đưa ra. - Điều chỉnh độ rộng xung: Qua 1 biến trở 100k ở chân 1 . - Giới hạn dòng điện: hạn chế việc kích hoạt khi điện áp giữa chân 4 và 5 vượt quá 200mV . Độ lợi của mạch giới hạn dòng điện là tương đối thấp,do đó việc kiểm soát giới hạn thông thường là 5%. Tín hiệu xung vuông ở đầu ra IC: Hình 22: Tín hiệu xung ra ở hai chân 14 và 11 3. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống: - Toàn bộ hệ thống mạch sử dụng nguồn 12v từ ắc quy.Ắc quy trong mạch sử dụng với thông số là điện áp đầu ra 12v . - Khi được cấp nguồn SG3525 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha nhau 180 độ, xung của SG3525 phụ thuộc vào điện trở và 1 tụ. - Để có thể điều chỉnh được tần số phát ra ta mắc 1 biến trở 50k chân 6 để có thể dễ dàng giải tần số của nó . - Điều chỉnh điện áp đầu ra bằng biến trở từ chân 1 điều chỉnh độ rộng của xung cấp vào cực G của IRF góc điều khiển từ 0 ÷ π2 - Tín hiệu xung ra ở 2 chân 11 và 14 luôn lệch pha nhau 180 độ. Qua trở 100Ω tín hiệu xung lúc này khoảng 5v được cấp trực tiếp vào cực G của IRF3205 khi IRF dẫn sẽ cấp điện áp 12v cho cuộn sơ cấp của biến áp. Do xung ở chân 11 và 14 lệch nhau 180o nên biến áp điểm giữa tạo ra 2 điện áp ngược pha nhau trong 1chu kì. Từ thông móc vòng và cho điện áp ra thứ cấp của biến áp. 4. Mạch điều khiển và mạch lực 4.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : Nhiệm vụ - Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên colector và emitor của van . - Khoá van trong nữa chu kì còn lại . - Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và khoá van chắc chắn . - Tạo ra được tần số và điều chỉnh độ rộng xung. - Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định . Yêu cầu chung về mạch điều khiển là : - Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những yêu cầu sau : + Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển: Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn. Tổn thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép . + Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển : Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van . + Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từ truờng... + Yêu cầu về lắp ráp và vận hành: Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp . . 4.2. Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực Nhiệm vụ - Cấp mass cho 2 đầu cuộn dây sơ cấp của máy biến áp điểm giữa. - Đóng cắt theo xung điều khiển vào cực G. Yêu cầu - Mạch lực chịu tần số đóng cắt lớn. - Mosfet xả hết điện khi ngưng dẫn. CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH NGHỊCH LƯU 1. Tính toán máy biến áp Lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và mặt kĩ thuật phương án lựa chọn này là tối ưu Hình:23 Máy biến áp điểm giữa Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 300W Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất của máy biến áp: P = η.U2.I2 Trong đó: P là công suất của máy biến áp U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp η là hiệu suất máy biến áp Chọn η = 0,85( máy biến áp lõi thép ) ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp I2 = = 3000,85.220= 1.604 ( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp I1 = Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V ) I1 = 220.1,60424= 14.705( A ) Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 . I1= 24.14,705 = 352 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 352W với I = 15A Thiết kế máy biến áp Thiết diện có ích S của lõi thép tính bằng cm2 :bằng thiết diện vật lý ( dài * rộng ) nhân vệ hệ Kg từ 0.85 đến 0.95 Công suất máy biến áp : S=1,2P => P= S2/1,44 Vậy để công suất tầm 352W trở lên thì lõi sẽ là S=1,2x352=22,5 (cm2); chiều dài , chiều rộng của lõi sẽ là 4.5 cm và 5 cm. Dòng cuộn sơ cấp : I=P/US( U sơ cấp ). Dòng chả qua cuộn sơ cấp là : 352/12=29.3 (A). Thiết diện dây sơ cấp : Asc= 2.5/I1 ( 2.5 là mật độ dòng điện ). Đường kính dây sơ cấp : Asc=π dSC2/4 =>dSC=4 Ascπ. Với công suất 352W: ASC= 2.5/29.3=0.085; dSC= 0.27 cm ở đây chúng ta chọn dây 2.5 mm, hay 2.5 li. Từ mối quan hệ đại lượng I,U và N ta có: => I thứ cấp là: (12x29.3)/220=1.59 (A) Thiết diện dây thứ cấp :ATC=2.5/I2. Đường kính dây thức cấp : ATC= π dTC2/4=> dTC=4 Atcπ. . =>dTC= 0.7 (mm) Số vòng cần quấn cho cuộn sơ cấp : NSC= (K x USC )/S Số vòng bên thứ cấp : NTC= (K x UTC )/S Với K ( lấy từ 38 đến 45 ở đây chọn 45). Bên sơ cấp sốvòng là :45 22.5 x11 = 22 (vòng) Bên thứ cấp là :45 22.5 x22.5 = 440 (vòng) Để quấn máy biến áp công suất 352W ta chọn : Chiều dài lõi 4.5 cm rộng 5 cm Sơ cấp quấn 2 cuộn mỗi cuộn 22 vòng dây đường kính dây 2.5mm. Thứ cấp quấn 480 vòng đường kính dây 0.7mm 2. Mạch lực Tính chọn IRF 2.1. Chọn van: Với dòng làm việc của máy biến áp I=15A, P = 352W, ta chọn mosfet công suất IRF3205, Id=110A. Dòng làm việc của IRF cao vì đó là dòng làm việc của IRF trong điều kiện cực G được kích mở liên tục. Còn với dòng gián đoạn IRF chịu được lại rất thấp thấp (IAS = 62A) so với dòng liên tục. Trong IRF cũng có tụ ký sinh để xả điện nhưng trên thực tế khi làm việc với tần số đóng cắt cao phải mắc thêm mạch hỗ trợ van.Nên khi chọn IRF phải chú ý đặc điểm này. 2.2. Hình dạng và kí hiệu 2.3.Thông số 3. Tính toán mạch điều khiển: Ta tính toán để có được xung ra là 50Hz như sau: oscillator The oscillator controls the frequency of the SG3525 and is programmed by RT and CT . RT và RD tính bằng Ω ,CT tính bằng F,f tính bằng Hz với f = 50hz, ta có : ta chọn: Ct = 0.1 uF RD = 100Ω Rt = 284 ,428 k𝜴 Để điều chỉnh điện áp dung 1 biến trở 100kΩ mắc vào chân 1. 4. Sơ đồ 4.1. Sơ đồ mạch điều khiển 4.2. Sơ đồ mạch động lực 4.3. Sơ đồ mạch in KẾT LUẬN Sau quá trình thực hiện bản đồ án chúng em đã thu được một số kết quả như sau: - Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha - Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha. - Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha. Với sự cố gắng nỗ lực của mỗi thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án của mình theo đúng thời gian. Một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt là thầy Nguyễn Đình Hùng đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong việc hoàn thành đồ án. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, góp ý của các thầy cô và các bạn để bản đồ án của cúng em hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn!