Thiết kế hệ thống biến đổi điện áp 12vDC thành 220vAC (500W)

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ KHÍ LUYỆN KIM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TỔ ĐIỆN TỬ THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống biến đổi điện áp 12vDC thành 220vAC (500W) I. Yêu cầu Thiết kế hệ thống biến đổi điện áp 12vDC thành 220vAC (500W) II. Nội dung thực hiện: Phần A: Thuyết minh Trình bày tính cấp thiết- thực tế của đề tài. Lập sơ đồ khối của hệ thống. Nêu, phân tích chức năng của từng khối và nguyên lý hoạt động của cả hệ thống (phân tích theo sơ đồ khối). Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng khối và cả hệ thống. Tính, tính, chọn, thông số linh kiện cho từng khối và cả hệ thống. Thuyết minh nguyên lý làm việc cho cả hệ thống. Thuyết minh nguyên lý làm việc cho cả hệ thống. Khoảng nhiệt độ ổn định là 300 Trình bày phương pháp hiệu chỉnh hệ thống. Trình bày ưu điểm, nhược điểm của đề tài. Phần B: Thực tế Thực hiện một thiết bị thực đáp ứng được yêu cầu của đề tài. III. Hình thức thực hiện: Đề tài áp dụng cho một nhóm sinh viên. Mỗi sinh viên phải nộp một thuyết minh đề tài theo mẫu và một đĩa CD có lưu toàn bộ các file: Thuyết minh đề tài, các file bản vẽ sơ đồ nguyên lí, mạch in, mô phỏng… Cả nhóm nộp một hệ thống thiết bị thực đáp ứng đựơc yêu cầu của đề tài. Sinh viên thực hiện: Tạ Văn Quang Nguyễn Thanh Hùng Bùi Thị Giàng 5. Thời gian thực hiện: Từ 8 tháng 5 năm 2012, đến hết ngày 7 tháng 7 năm 2012. GVHD Hồ Quang Hưng Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Thái Nguyên, Ngày……Tháng……Năm 2012 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ gọ tên) Trang 01 LỜI MỞ ĐẦU Trong một thời đại phát triển của công nghệ, việc nâng cao và phát triển tối ưu các ứng dụng phục vụ cho đời sống vật chất và tinh thần là một yêu cầu cơ bản trong mọi ngành sản xuất .Vì vậy nhu cầu tiêu thụ điện được nâng cao dẫn đến cung không đủ cầu nên việc cắt điện để giảm tải trở nên ngày càng trầm trọng . Dù bước sang hè nhưng tại nhiều địa phương đã lien tục bị cắt điện khiến người dân vô cùng bức bối. Để đối phó với tình trạng này, người ta đổ xô đi mua máy phát điện, quạt, đèn tích điện. Chính vì vậy mà chúng em đã nghĩ ra, cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo bộ môn đã giúp chúng em cùng nhau thiết kế một bộ kích điện dùng trong gia đình nhỏ. Thiết bị này dùng để chuyển từ dòng một chiều DC (acquy 12V) sang dòng xoay chiều AC. Khi điện lưới bị ngắt, thiết bị này lấy nguồn từ acquy (50Ah – 100Ah) và chuyển sang điện xoay chiều 220V tần số 50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như : Quạt, tivi. Nồi cơm điện, máy tính,…. Do đó, chúng em chọn đề tài thiết kế hệ thống bộ biến đổi điện áp 12vDC sang 220vAC cho đồ án môn học của mình. Dựa trên những kiến thức đã được học trên lớp, được thực hành trên xưởng và từ những tài liệu tham khảo của nhiều môn học như: Thiết kế mạch điện tử, các mạch điện ứng dụng, kỹ thuật mạch điện tử…cùng với sự hướng dẫn của thầy “Hồ Quang Hưng” và các thầy trong khoa điện- điện tử và sự nhiệt tình của các bạn trong nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án này. Sản phẩm của chúng em mang tên “CKLK- DT47”. Nó được thiết kế đặc biệt phục vụ lưu động có khối lượng nhỏ nên có thể dễ dàng di chuyển. “CKLK – DT47” có công suất 500W đảm bảo chất lượng, và bền đẹp. Công suất của tải MAX là 500W, tần số là 50 Hz. Do thời gian và khả năng của chúng em còn nhiều hạn chế do đó khó tránh khỏi những sai sót khi thiết kế. Vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý chân tình của các thầy để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Trang 02 Phần 1 : Tính cấp thiết – thực tế của đề tài : Nhu cầu tiêu thụ điện được nâng cao dẫn đến cung không đủ cầu nên việc cắt điện để giảm tải trở nên ngày càng trầm trọng.Vì vậy sinh hoạt của người dân những lúc mất điện không được bảo đảm. Do đó, chúng em thiết kế hệ thống bộ biến đổi điện áp 12vDC sang 220vAC nguồn vào dung ắc quy 12vDC với công suất đủ dùng cho một hộ gia đình với nhu cầu xem phim, nghe nhạc, thắp sáng… Giúp sinh viên nắm bắt được những kiến thức cơ bản về hệ thống biến đổi điện. Biết cách xây dựng mạch để tạo nên một sản phẩm ứng dụng trên thị trường. Trong đồ án này chúng em thực hiện thiết kế hệ thống biến đổi với bộ khuếch đại công suất sử dụng Transistor 2N3055, đây là một loại linh kiện cho công suất lớn và chất lượng tốt nên được sử dụng phổ biến trên thị trường ngày nay. Thông số kĩ thuật : Điện áp vào : 12vDC Điện áp ra : 220vAC Công suất : 500 W Ắc quy phù hợp : 50Ah – 150 Ah - Dạng sóng ra : Hình sin Bộ kích điện 500W dùng được cho:+ Chiếu sáng: Mỗi đèn ống chỉ tiêu tốn công suất 40W.+ Quạt mát: Mỗi quạt cây hoặc quạt trần chỉ tiêu tốn công suất 60W.+ TV: Máy có thể dùng với TV loại màn hình CRT 29 inch hoặc TV LCD, Plasma 32 inch.+ Máy tính: Mỗi máy tính để bàn tiêu tốn công suất khoảng 300W. Máy tính xách tay khoảng 150W Nên bộ kích điện có thể sử dụng cho 1 máy tính để bàn hoặc 02 máy tính xách tay.+ Các thiết bị điện có công suất nhỏ hơn 500W. Trang 03 Bộ kích điện 600W không dùng được: + Nồi cơm điện. Có công suất khoảng 600- 700W.+ Điều hoà: Có công suất khoảng 1000W.+ Tủ lạnh trên 50l.+ Bình nóng lạnh+ Các thiết bị điện có công suất lớn hơn 500W hoặc có công suất khởi động quá 1000W trong thời gian quá 1s. Phần 2 : Lập sơ đồ khối của hệ thống.Nêu,phân tích chức năng của từng khối và nguyên lý hoạt động của cả hệ thống ( phân tích theo sơ đồ khối ). Nguồn Tạo dao động Công suất Biến áp Lọc * Khối nguồn : Sử dụng ắc quy có thông số như sau : - Điện áp ở 2 đầu cực : 12vDC - Loại acquy : 50Ah -150Ah .càng cao thì thời gian sử dụng được kéo dài. - Ắc quy có thể sử dụng ắc quy nước hay khô .Loại có thể sặc được khi hết điện Trang 04 Hình ảnh chiếc ắc quy trong thực tế Khối tạo dao động : Tạo dao động 50 Hz kích mở transistor công suất .Mạch sử dụng bộ dao động đa hài tín hiệu ra sẽ đóng mở với tần số phù hợpvới tần số của mạch. Mạch in Mạch thực tế Trang Khối công suất : Sử dụng transistor 2N3055 có nhiệm vụ đóng mở liên tục với tần số 50Hz cho 2 cuộn dây của cuộn sơ cấp.Khối công suất sử 10 transistor 2N3055 chịu được dòng Ic = 75 A (Ic max của mỗi con Ic =15A) .Dòng tính toán qua cuộn sơ cấp máy biến áp là : I = 500 / 12 = 60 (A) Hình dạng thực tế khối công suất Mạch in */ Biến áp : Mạch sử dụng máy biến áp tuyến tính với 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp .Cuộn sơ cấp được chia làm 2 cuộn nhỏ được nối chung 1 đầu còn 2 đầu riêng biệt được nối vào khối công suất .Máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều tùy theo điện áp sử dụng mạch biến mà không làm thay đổi tần số của dòng điện. Hình dạng của máy biến áp trong thực tế */ Khối lọc : Lọc điện áp đầu ra để tránh những tần số khác 50Hz gây nóng và nhanh hỏng cho thiết bị .Mạch này còn có tác dụng chống chập mạch đầu ra cho máy tránh gây hư hỏng cho máy và làm hỏng ắc quy. */ Nguyên lý hoạt động của hệ thống ( Phân tích theo sơ đồ khối ) : Nguồn cung cấp điện áp 12vDC đi đến mạch tạo xung để tạo tín hiệu đóng mở liên tục luân phiên với tần số 50 Hz để đưa tới 2 đầu nhỏ của cuộn sơ cấp máy biến áp nhằm biến đổi tín hiệu 1 chiều thành tín hiệu xoay chiều hình sin .Nguồn 12v được nối trực tiếp với 1 đầu chung của 2 cuộn sơ cấp nhỏ.Biến áp biến đổi điện áp 12V thành 220 V nhở vào sự đóng cắt luân phiên 50 Hz Đưa điện áp ở 2 đầu cuộn thứ cấp 220V có f = 50 Hz ra khối lọc để lọc nhiễu và đưa ra ngoài sử dụng. Phần 3: Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng khối và cả hệ thống .Tính chọn thông số linh kiện cho từng khối và cả hệ thống.Thuyết minh nguyên lý làm việc cho cả hệ thống. Hệ thống gồm 3 khối chính sau : - Khối tạo xung - Khối công suất - Khối lọc Sơ đồ nguyên lý cho cả hệ thống : */Khối tạo xung: Sơ đồ nguyên lý của khối tạo xung là một mạch đa hài dao động đóng cắt liên tục luân phiên tần số 50Hz.Trong mạch gồm có những thành phần chính sau: -Điện trở: Điện trở là một linh kiện điện tử không phân cực, nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chất của cacbon và kim loại được pha theo tỷ lệ mà tạo ra các con điện trở có điệ dung khác nhau. Ký hiệu: Hình dáng thực tế: Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi bằng các vạch mầu theo quy định chung của thế giới. Các điện trở có kích thước lớn hơn và có công suất lớn hơn 2w thường được ghi trực tiếp lên thân -Tụ điện: : Là một linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, được sử dụng trong các mạch nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch dao động. Có chức năng cản trở phóng nạp khi cần thiết và được đăc trưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp xoay chiều. Ký hiệu: Hình dáng thực tế: Tụ không phân cực là loại tụ có 2 cực có vai trò như nhau và thường nhỏ(pF). Tụ phân cực: Là tụ có cực tính âm và dương và không thể dùng lẫn nhau được và có giá trị lớn hơn so với tụ không phân cực -Transistor: Là linh kiện điện tử được cấu tạo từ chất bán dẫn dùng để khuếch đại tín hiệu. Cấu tạo: Gồm có 3 lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành 2 mối tiếp giáp P-N. Nếu ghép theo thứ tự PNP ta có Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta có Tansistor nghịch. Về phương diện cấu tạo thì Transistor tương đương với 2 diode có dấu ngược chiều nhau. Ba lớp đó được nối thành 3 cực: Lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), còn 2 lớp bên ngoài nối thành cực phát E(Emitter), và cực thu C(Collector). Cưc B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, còn vùng bán dẫn E và C có bán dẫn cùng loại(N hay P) nhưng có nồng độ tap chất khác nhau nên khôg hoán vị được. Transistor như là 1 khoá điện tử trong đó cực B là cực điều khiển. Ký hiệu: Hình dạng thực tế: 1.Máy biến áp : M áy biến áp là thiết bị hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số của nó. a).Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động : Máy biến áp gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên một lõi sắt kín ( hing ben ). Lõi thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silic, ghép cách điện với nhau để giảm hao phí điện năng của dòng Fu-cô. Các cuộn dây thường làm bằng đồng đặt cách điện với nhau và được cách điện với lõi. Hoạt động của MBA dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Một trong hai cuộn của MBA được nối nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn thứ hai được nối với tải tiêu thụ điện năng, được gọi là cuộn thứ cấp. Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động xoay chiều. Nếu mạch thứ cấp kín thì có dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. b). Sự biến đổi điện áp và cường độ dòng điện máy biến áp: Trong các công thức dưới đây, các đại lượng và các thông số ở đầu vào ( nối với cuộn sơ cấp ) được ghi bằng chỉ số một, ở đầu ra ( nối với cuộn thứ cấp ) được ghi bằng chỉ số hai. Với lõi sắt kín, hầu như mọi đường sức từ chỉ chạy trong lõi sắt nên từ thông qua mỗi vòng dây của hai cuộn bằng nhau, suất điện động cảm ứng trong mỗi vòng dây bằng nhau. Như vậy, suất điện động cảm ứng trong mỗi cuộn dây tỉ lệ với số vòng dây N1, N2 của chúng: Tỉ số giữa suất điện động tức thời không đổi nên tỉ số giữa các giá trị hiệu dụng cũng bằng tỉ số ấy: Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn thì có thể coi điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây bằng suất điện động hiệu dụng tương ứng trong mỗi cuộn : U1=E1, U2=E2 Do đó : Nếu N2 > N1 thì U2 > U1 , Ta gọi máy biến áp là máy tăng áp. Nếu N2 < N1 thì U2 < U1, Ta gọi máy biến áp là máy hạ áp. Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể thì công suất của dòng điện tỏng mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp có thể bằng nhau. Như vậy: U1.I1 = U2.I2 Hay Do đó, MBA làm tăng điện áp lên bao nhiêu lần thì giảm cường độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại 2.Tính biến áp INVERTER cho công suất tại P0 = 50W Lấy hiệu suất biến áp là n=0.7, ta có công suất ở cuộn sẽ là: Dòng qua cuộn sơ cấp : Do đó, phải chọn hai transistor công suất có dòng Ic max từ 10 đến 15A như C5200 hoặc hai con 2N3033 hoặc D718 mắc song song. a).Xác định tiết diện nòng dẫn từ ( Sc ) ( viP0 = 50W => lấy k = 1,5 theo bảng tra ) Lấy lõi sắt của biến thế 8A trên thị trường, chọn phe sắt loại tốt. b).Số vòng ứng với 1 volt cuộn sơ cấp ( N0 ): Ở cuộn thứ cấp phải nhân với hệ số hao hụt ( chọn 1,1 ) c).Số vòng dây quấn ở các cuộn dây Ở sơ cấp: Độ biến đổi từ nguồn DC 12V, do đó biên độ xoay chiều max là 12V, tương ứng với điện áp hiệu dụng là 8V Quấn hai cuộn dây 33 vòng nối tiếp nhau có điểm chung ở giữa Ở thứ cấp: Quấn hai cuộn dây 484 vòng nối tiếp nhau có điểm chung ở giữa là 110V d).Chọn cỡ dây: Ở cuộn sơ cấp: Chọn dây cuộn sơ cấp là 1,8mm đến 2 mm ( chọn dây 2 ly ) Ở cuộn thứ cấp: => Chọn dây cuộn thứ cấp là 0,35mm đến 0,5mm ( chọn dây nửa ly ) */Nguyên lý làm việc cho cả hệ thống : Khi cấp nguồn 12v cho mạch nguồn dương của acquy nối với đầu anốt của diode 1N4007 để tránh cắm ngược chiều cho mạch thì mạch sẽ không hoạt động được tránh làm hỏng mạch.Điện áp 12v được đưa đến transistor Q1 để ổn định điện áp cho khối tạo xung nhờ diode zenner 9v và 2 tụ C1 C2 để lọc điện áp đầu vào điện trở R1 có tác dụng phân trở cho transistor Q1.Điện áp có nguồn ổn định được đưa đến khối dao động đa hài R2,R3,R4,R5,R6 có trị số điện trở khác nhau và 2 tụ C3,C4 có giá trị 1u có điên áp 50v và 2 transistor Q2,Q3 để đóng cắt điện áp xuống mát mạch làm việc trên sự phóng nạp của tụ tạo ra tín hiệu đóng cắt luân phiên cho Q2 và Q3,2 tín hiệu điều khiển đóng cắt luân phiên qua 2 điện trở R7,R8 đưa đến điều khiển 2 transistor Q4 và Q5.Hai transistor Q6 và Q7 nhận điện áp đầu vào đưa tới. Hai tụ không phân cực C5 C6 lọc nhiễu tần cao (nếu có) ở đầu vào điều khiển trước khi được đưa tới khối công suất.Khối tạo xung giao tiếp với khối công suất nhờ giắc cắm đơn trong mạch. */Khối công suất sử dụng 10 transistor 2N3055 được mắc song song từng cặp 5 con gồm 2 cặp điều khiển điện áp đối xứng.Mạch có dòng đi qua lớn vì vậy khi thiết kế 5 con transistor 2N3055 mỗi con có dòng IC max =15A vậy 5 con sẽ là 75A.Điện áp điều khiển được đưa tới từ mạch tạo xung điều khiển cực B của transistor công suất. */Mạch lọc:có tác dụng thoát xung tần số cao gây nóng và làm hỏng thiết bị.Mạch còn có tác dụng bảo vệ ngắn mạch và quá tải cho mạch. Phần 4: Trình bày phương pháp hiệu chỉnh hệ thống : Trước khi hoạt động chúng ta cần cắm tải vào mạch sau đó tiến hành cấp nguồn cho máy biến đổi Phần 5: Ưu nhược điểm của đề tài : Ưu điểm Điện áp ra hình Since chuẩn để chạy các thiết bị không bị nóng và không làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Tự động ổn áp không phụ thuộc vào phụ tải acquy. Tự động ngắt khi quá tải, ngắn mạch, acquy yếu . Có quạt mát cho máy cho nên máy sẽ bền, hoạt động thời gian dài mà không bị nóng. Hiệu suất sử dụng cao, không gây tiếng ồn. Không gây ô nhiễm môi trường, không làm hỏng thiết bị gia đình. Thiết kế gọn nhẹ, dễ dàng vận chuyển và sư dụng. Không gây cháy nổ, an toàn cho người sử dụng, sử dụng đơn giản, an toàn.