Đồ án Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, 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 Đỗ Quang Huy 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! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Hưng Yên, tháng 1 năm 2010. Giáo viên hướng dẫn Đỗ Quang Huy MỤC LỤC A.LỜI MỞ ĐẦU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN. PHẦN I : YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI. Phân tích yêu cầu của đề tài. Mục tiêu của đề tài. Các phương án thực hiện. Ý nghĩa của đề tài. PHẦN II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 1. Giới thiệu về các van bán dẫn công suất. 1.1. Điốt công suất. 1.2. Tiristor công suất. 1.3. Triắc. 1.4. Transistor công suất. 1.4.1. Transistor lưỡng cực ( BJT ). 1.4.2. Transistor MOS công suất ( MOSFET ). 2. Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu và một số mạch ứng dụng 2.1 Giới thiệu tổng quan về nghịch lưu 2.2Một số mạch ứng dụng 3. Máy biến áp và Ăc quy. 3.1. Máy biến áp. 3.2. Ăc quy. PHẦN II : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM. 41. Tính toán máy biến áp 4.2. MOSFET công suất K956 4.3. Thiết kế mạch điều khiển 4.4. Mạch cách ly 4.5. Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống và sơ đồ Board PHẦN III : ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM B. KẾT LUẬN TÊN ĐỀ TÀI Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha * Số liệu cho trước - Các giáo trình và tài liệu chuyên môn - Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm. 1.1 Phân tích yêu cầu của đề tài. Với yêu cầu của đề tài khi đó chúng ta phải đi thiết kế một bộ nghịch lưu cho ra điện áp xoay chiều là 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số trong mạch đo được là 50Hz, công suất ra của bộ nghịch lưu là 300W. Mạch lấy nguồn ắc quy 12V cấp trực tiếp cho mạch và cho biến áp. Biến áp ở đây sử dụng như một bộ kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao hơn nhiều lần so với giá trị áp ban đầu. Chính vì mạch có khả năng biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực rất lớn trong thực tế. Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phần lớn là linh kiện công suất. Mạch sử dụng các van bán dẫn công suất như Transistor, MOSFET, IGBT…Trong quá trình chạy mạch thì xung tạo ra là xung vuông và được khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor, IGBT… 1.2 Mục tiêu của đề tài. Nắm được một cách tổng quan về các phần tử bán dẫn công suất. Nghiên cứu về các mạch nghịch lưu, hiểu được nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu, các phương pháp biến đổi từ đó lựa chọn một phương án tối ưu nhất để có áp dụng trên đồ án của mình và ngoài thực tiễn. Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu điện áp một pha với công suất cho trước. 1.3Ý nghĩa của đề tài. Để giúp sinh viên có thể có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên nghành cũng như kiến thức ngoài thực tế. Đề tài còn thiết kế chế tạo thiết bị, mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các học sinh, sinh viên khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập. Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp chúng em có thể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổi điện áp. Từ đó sẽ tích luỹ được kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thực tế. 1.4 Nội dung cần hoàn thành: - Lập kế hoạch thực hiện. 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. Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu: + Điện áp đầu vào một chiều U = 12V lấy từ ắc quy. + Điện áp đầu ra dùng cho các thiết bị điện xoay chiều U = 220V - f = 50HZ , P = 300VA. + Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Quyển thuyết minh.và các bản vẽ Ao, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài. PHẦN I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. 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. Điốt do hai lớp vật liệu bán dẫn P – N ghép lại thành. Điện tích mặt ghép có khi đạt tới hàng chục cm2, với mật độ dòng điện 10A/mm. Hình 1 : Cấu tạo và đường đặc tính V – A của điốt 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. a : Cấu tạo của tiristor b : Ký hiệu và hình dạng thực c : Đặc tính V – A của tiristorHình 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 3 : Kí hiệu của triắc . Transistor công suất. 1.4.1. Transistor lưỡng cực ( BJT ). Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn. Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu là = 10 100. Điện áp Vbe 1V; Vcc = ( 1 1,5 ) V. a : Cấu trúc kí hiệu của Transistor công suất NPN b : Đặc tính vôn – ampe của Transistor công suất NPN Hình 4 : Cấu tạo và đặc tính V – A của Transistor công suất NPN Công suất tổn thất trong Tr khi làm việc với tải xác định nhỏ hơn nhiều lần so với công suất tổn thất khi transistor chuyển trạng thái. Tích công suất chuyển trạng thái pc với thời gian chuyển trạng thái tc là năng lượng tổn thất trong quá trình chuyển trạng thái. Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của transistor, khi đó nhiệt độ bên trong Tr không được vượt quá 200oC. Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do Tr chuyển trạng thái gây nên người ta dùng các mạch trợ giúp. Việc sử dụng các mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tr làm việc ở các điều kiện sau : f > 5 kHz hoặc VC 60V, IC > 5A. 1.4.2. Transistor MOS công suất ( MOSFET ). 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 2. Tổng quan về nghịch lưu và một số mạch ứng dụng . 2.1.Tổng quan về nghịch lưu Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện. Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu. Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều. Phân loại: Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại. - Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều. - Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ác quy, máy phát một chiều ....) Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển. Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở a của các tiristo thoả mãn điều kiện (p/2 < a <p ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay. Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều. Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý. Tần số và điện áp nghịch lưu. Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính. Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản: Nghịch lưu độc lập điện áp . - Nghịch lưu độc lập dòng điện. - Nghịch lưu độc lập cộng hưởng. 2.2 Một số mạch ứng dụng . 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, là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC khuyếch đại thuật toán. Sơ đồ: 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 -Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài .Điện áp đầu ra của 4047 là 11 V ở mức cao và 0.05 V ở mức thấp. -Dòng điện và điện áp làm việc của IC nhỏ, còn ở mạch động lực dòng làm việc lớn. Để cáchly giữa mạch điều khiển và mạch động lực ta sử dụng PC817 Khi được cấp nguồn 4047 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha nhau 180 độ. Diode của PC phat sáng có xung trên Colecto của PC. Xung điện áp đối xứng kích mở cho K956, K956 dẫn dòng làm cho máy biến áp điểm giữa xuất hiện dòng điện trong cuộn sơ cấp ở cả hai nủa chu kỳ. - Khi xảy ra sự cố quá tải dòng tăng sẽ cắt điện áp cấp cho mạch 3. Máy biến áp và ác quy. 3.1. 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 11 : 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. 3.2. 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 đến 0.0015 và khi ăcquy phóng điện hoàn toàn là 0.02 đến 0.025. -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. -Hình 12 : Quá trình nạp điện cho ăcquy PHẦN II TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM. 4.1. 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 Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 300VA Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V ) Công suất của máy biến áp: P = .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 là hiệu suất máy biến áp Chọn = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp I2 = = = 1.6 ( 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 = = 14,67( A ) Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 . I1 = 24 . 14.67 = 352 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 352W với I = 15A 4.2. MOSFET công suất K956 a.Hình dạng 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 b.Đặc tính 4.3. Thiết kế mạch điều khiển 4.3.1. 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 . - Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để 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 đươc tần số theo yêu cầu . - Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định . - Cách ly với mạch động lực * 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 vân hành :Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp . . . 4.3.2. Tính toán mạch điều khiển: Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng vi mạch CD4047B có các thông số sau : Sơ đồ chân của vi mạch như sau: Cấu trúc của vi mạch như sau: Hoạt động của IC như sau: Hoạt động của chân astable được phép khi đạt đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc của 2 chân. Độ rộng của xung vuông của Q và là hàm của đầu vào phụ thuộc vào RC Chân 5 astable cho phép mạch làm bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5. Độ rộng xung ở chân 13 bằng 1/2 đầu ra Q trong chế độ astable. Tuy nhiên điều này chỉ đúng 50% Trong chế độ ổn định đơn khi có sườn