Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo bộ nghịch lưu một pha chuẩn sin công suất 1000W. Sử dụng mạch cầu H, theo phương pháp SinPWM, dùng pic 12f629 để lập trình, hãy tham khảo nhé........................................................................................................................................................
Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai LỜI NÓI ĐẦU Như biết, nước ta bước vào trình công nghiệp hóa - đại hóa, với xây dựng sở hạ tầng ngày phát triển.Trong lượng điện yếu tố quan trọng cho việc xây dựng phát triển Nhưng thực trạng ngành điện sản xuất không đủ để cung cấp cho công nghiệp đảm bảo người dân có điện Chính nhu cầu điện người dân tăng cao mà lượng sản xuất không đáp ứng yêu cầu Do đề tài với mục đích nghiên cứu xây dựng biến đổi cho phép điện lưới ta sử dụng lượng từ acquy để thắp sáng, để sử dụng số vật dụng quạt, tivi, động Trên thị trường có nhiều lựa chọn cho nghịch lưu với nhiều mức giá, cấp chất lượng, hiệu suất công suất khác Các nghịch lưu sin thường sử dụng linh kiện số công suất cao đắt tiền nghịch lưu sin mô đơn giản phần tạo xung phức tạp nhiên điện áp đầu chứa nhiều nhiễu gây ảnh hưởng tới thiết bị nhạy cảm Mục tiêu đề tài phân tích loại thiết kế khác cho phép tạo nghịch lưu pha sin có hiệu suất cao giá thành thấp ứng dụng thực tế sản xuất Bộ nghịch lưu sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung để tạo sin gần với nhiễu nhỏ Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện, môn tự động hóa đặc biệt thầy Nguyễn Hoàng Mai hướng dẫn em hoàn thành đồ án Tronhg tình thực làm đồ án nên không mắc phải sai sót, em mong bảo tận tình thầy cô Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực Trần Đăng Hùng SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai TÓM TẮT Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nghịch lưu pha có sóng đầu dạng hình sin, công suất 1kW Tất công việc đề tài bao gồm: tìm hiểu lý thuyết tổng quan nghịch lưu, nghiên cứu phương pháp điều khiển nghịch lưu, thiết kế tính toán mạch phần mềm Altium, thiết kế thi công mô hình thực tế Yêu cầu ban đầu đưa đề tài sau: “ Thiết kế chế tạo nghịch lưu 12VDC/220VAC, tần số 50Hz, công suất 1kW, sóng đầu dạng sin” Thông số : UDC = 12V, UAC = 220V, f = 50Hz , Công suất P = 1kW Bản thuyết minh cho đề tài chia làm chương: Chương 1: Tổng quan nghịch lưu, khái niệm nghịch lưu, phân loại nghịch lưu, nguyên lý nghịch lưu phương pháp điều chế độ rộng xung Chương 2: Nêu yêu cầu cần thiết điều khiển nghịch lưu, phân loại phương pháp điều khiển, phân tích ưu nhược điểm phương pháp điều biến độ rộng xung SinPWM SVPWM Chương 3: Thiết kế tính toán mạch động lực mạch điều khiển, từ thông số yêu cầu đặt lựa chọn linh kiện hợp lý Chương 4: Mô hình thực nghiệm nghịch lưu, phân tích, đánh giá kết Kết xong hoàn thành đồ án tạo thiết bị điện tử nhỏ gọn, giá thành phù hợp với người dân, sử dụng acquy để dùng điện SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Tiến trình thực đề tài Tìm hiểu lý thyết Lập trình/ Mô Đánh giá Viết báo cáo Thời gian Sinh viên Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng 08/2016 09/2016 10/2016 11/2016 12/2016 Trần Đăng Hùng Đóng góp thành viên 2.1 Trần Đăng Hùng - Tìm hiểu lý thuyết nghịch lưu - Thiết kế mạch phần cứng lập trình - Thi công mạch thực tế SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai MỤC LỤC SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp SVTH: Trần Đăng Hùng TS Nguyễn Hoàng Mai Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT PWM: Pule Width Modulation SinPWM: Sine Pule Width Modulation VPWM: Vector Pule Width Modulation AC: Alternating Current DC: Direct Current HR: High right LR: Low right LL: Low left HL: High left LV: Low volt TDH: Total Distortion Harmonic SVTH: Trần Đăng Hùng Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU Trong chương này, tìm hiểu tổng quan nghịch lưu pha khái niệm nghịch lưu, phân loại nghịch lưu, nguyên lý nghịch lưu lưa chọn phương pháp tối ưu để làm đề tài 1.1 Tổng quan nghịch lưu 1.1.2 Khái niệm nghịch lưu Nghịch lưu trình biến đổi dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều với tần số cố định thay đổi 1.1.3 Phân loại nghịch lưu 1.1.3.1 Nghịch lưu phụ thuộc Nghịch lưu phụ thuộc có tần số điện áp dòng điện xoay chiều tần số thay đổi lưới điện Sự hoạt động nghịch lưu phải phụ thuộc vào điện áp lưới tham số điều chỉnh góc điều khiển α xác định theo tần số pha lưới điện xoay chiều 1.1.3.2 Nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập hoạt động tần số mạch điều kiển định thay đổi tùy ý, tức độc lập với lưới điện Nghịch lưu độc lập chia làm loại: - Nghịch lưu độc lập điện áp Cho phép biến đổi từ điện áp chiều E thành nguồn điện xoay chiều có tính chất điện áp lưới Trạng thái không tải cho phép trạng thái ngắn mạch tải cố Van bán dẫn nghịch lưu độc lập điện áp hoạt động tác động suất điện động chiều E, thích hợp van điều khiển hoàn toàn: loại transistor, BJT, MOSFET, IGBT - Nghịch lưu độc lập dòng điện Biến đổi nguồn dòng chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý Đặc điểm nghịch lưu dòng nguồn chiều cấp điện cho biến đổi phải nguồn dòng, điện cảm đầu vào L d thường có giá trị lớn vô để dòng điện liên tục SVTH: Trần Đăng Hùng Trang Đồ án tốt nghiệp - TS Nguyễn Hoàng Mai Nghịch lưu độc lập cộng hưởng Có đặc điểm hoạt động hình thành mạch vòng dao động cộng hưởng RLC Với nghịch lưu độc lập dòng điện nghịch lưu độc lập công hưởng, tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thysistor nên chúng thường dùng 1.2 Cấu tạo nguyên lý 1.2.2 Nghịch lưu độc lập điện áp pha 1.2.2.1 Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp pha mô tả sơ đồ hình 1.1 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 diode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng lưới tránh tượng áp đầu nguồn Tụ C mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn hai chiều (nguồn chiều thường cấp chỉnh lưu cho phép dòng theo chiều) Như tụ C thực việc tiếp nhận công suất phản kháng tải, đồng thời tụ C đảm bảo cho nguồn đầu vào nguồn áp Hình 1-1: Sơ đồ nghịch lưu cầu pha 1.2.2.2 Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ đầu (2) cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp lên điện áp tải Ut = E, hướng dòng điện đường nét đậm SVTH: Trần Đăng Hùng Trang Đồ án tốt nghiệp TS Nguyễn Hoàng Mai Tại thời điểm 2), T1 T2 bị khóa, đồng thời T3 T4 mở tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều U t = - E thời điểm Do tải mang tính trở cảm nên dòng giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4 Suất điện động cảm ứng tải trở thành nguồn trả lượng thông qua D3, D4 tụ C (đường nét đứt) Tương tự chu kỳ khóa cặp T, T dòng tải khép mạch qua D1 D2 Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải i t, dòng qua diode iD dòng qua thyristor biểu diễn hình 1.2 Hình 1-2: Đồ thị nghịch lưu áp cầu pha Trên thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt kích thước lọc Nguyên lý phương pháp nghiên cứu phần sau SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 10 I = It.Ki = 20.2 = 40 A (với Ki = 2) Điện áp tối qua MOSFET: U = Ut.Ku = 12.1.4 = 24,19 V (với Ku = 1.4) Giới thiệu linh kiện MOSFET IRF 3205: Hình 3-17: Hình dáng thật thông số MOSFET IRF3205 Các thông số bản: Điện áp chịu đựng : VDSS = 55 V Điện trở mở chân D - S: RDS(on)= 8,0 m Dòng chịu đựng qua chân D - S: ID = 110 A Điện áp kích mở: VGS = 10V Như với yêu cầu thực tế thông số mạch ta chọn van động lực loại transistor trường công suất kênh N (MOSFET): IRF 3205 3.6.2 Tính toán quấn biến áp 12V-220V Xác định thiết diện thực lõi sắt (trụ): S0 (cm2) Do thép hình chữ E ghép lại có lớp điện nên ta phải trừ lớp cách điện đó thiết diện thực lõi sắt là: S0 = k.S Với S thiết diện phần lõi sắt: S = a.b (cm2) k= 0.9 (hệ số lấp đầy) thép E có bề dầy 0.35mm Do chọn: a= cm, b= 6cm S= a.b = 4.6 = 24 (cm2) S0 = 0,9.24 = 21,6 (cm2) Công suất biến áp theo thiết diện thực S0 = / 1.1 = 34,785 (cm2) SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 47 Thông thường người hay chọn lõi hình vuông hay hình chữ nhật nên ta có độ rộng bản: c = = 5,898 cm Tính số vòng/vôn : nv nv = (vòng/vôn) = = (vòng/vôn) Ở 45 hệ số phụ thuộc vào tần số chất lõi B cảm ứng từ chọn theo thép kĩ thuật điện tùy thuộc vào lường silic thép mà thông thường giá trị B từ (1T đến 1.2T) Xác định số vòng dây quấn Để xác định số vòng dây quấn ta phải biết điện áp đầu vào điện áp đầu cần lấy Theo công thức tính ta sau: N1 = U1.nv = 12.1,078 = 12,936 Chọn 13 vòng N2 = 1.1.U2.nv = 1,1.220.1,078 = 260,876 Chọn 260 vòng Trị số 1.1 giá trị chênh lệch công suất tổn thất Tính toán tiết diện dây quấn thứ cấp sơ cấp Tiết diện dây quấn chọn theo mật độ dòng điện J Mật độ dòng điện J chọn phù hợp để phù hợp với điều kiện làm việc nhiệt độ dây dẫn khoảng cho phép + Với J = (A/mm2) - Công suất từ (5001000 VA) Từ ta tính thiết diện dây quấn sơ cấp thứ cấp Các giá trị I1 I2 tính dựa vào mối quan hệ số vòng dây sơ cấp thứ cấp điện áp sơ cấp thứ cấp I1 = (A) I2 = (A) + Thiết diện dây quấn sơ cấp s1 (mm2) + Thiết diện dây quấn thứ cấp s2 (mm2) Tính đường kính dây nhờ vào thiết diện dây (Do ta chọn dây đồng hình tròn nên ta tính sau ): + Cuộn sơ cấp : d1 = =2 = 7,286 (mm) + Cuộn thứ cấp : d2 =2 =2 = 1,072 (mm) 3.7 Mạch lọc LC Yêu cầu chung tinh toán thỏa mãn yêu cầu sau SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 48 • Hệ số méo nhỏ, tùy theo tải mà hệ số yêu cầu khác nhau, thường TDH • • • • 20% Hệ số sóng hài thấp 5% điện áp coi tốt Công suất đặt thấp Tổn thất công suất lọc tốt Đặc tính tần số dốc Lựa chọn phương pháp lọc Dùng phương pháp SINPWM cho phép loại bỏ nhiều sóng hài bậc thấp sóng hài bậc thấp có bậc sát với tần số sóng mang, tăng tần số sóng mang điện áp gần sin Nếu tải có điện cảm dòng tải gần hình sin lọc, nhiên biên độ sóng hài có tần số sóng mang lại cao Vì lọc phải đạt hai mục tiêu sau: • Lọc lấy sóng hài bản, song giá trị phần tử không cần lớn phương pháp cho phép giảm hệ số méo nhiều • Chặn sóng hài với tần số sóng mang, đặc biệt với phụ tải động điện tần số sóng thường cao dễ gây xung áp lớn làm hỏng thiết bị Ở em chọn lọc thụ động Bộ lọc thụ động có loại thường dùng: 1) Bộ lọc LC • Ưu điểm - Có khả lọc tốt lọc nhiều tần số theo mong muốn • Nhượt điểm - Có thể xuất cộng hưởng gây tăng dòng áp ảnh hưởng đến thiết - bị Gây nhiễu cho thiết bị thông tin có phát sinh sóng điện từ từ cuộn cảm 2) Bộ lọc RC • Ưu điểm - Bộ lọc LC đơn giản nhất, giá thành rẽ - Vận hành ổn định • Nhượt điểm - Có tổn hao điện trở, tổn hao lớn công suất lớn - Khả chọn lọc tần số Từ em chọn chọn lọc LC để làm lọc cho đầu nghịch lưu SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 49 3.7.2 Tính toán lọc LC Hình 3-18: Mạch lọc LC Với tham số tải P = 1000W, điện áp U = 220VAC, f = 50Hz Thiết kế lọc LC lọc sóng hài bậc 31 (thí dụ với bậc 31) với tần số cắt f = 31.50 = 1550 Hz f= = 1550 = 1,03.10-4 LC = 1,05.10-8 Tính cho phép sụt áp điện cảm tần số UL = 1% Ura = 0,01.220 = 2,2V Chọn sụt áp 2V It = Pt/Ut =1000/220 = 4,545 (A) ZL = L = UL/IL = 2/4,545= 0.44 Ω suy L = 0,001H = 1mH Do thực tế xác định tần số sóng hài để lọc nên em xin lọc LC gồm cuộn cảm L= 400, C= 0,01 ( tụ CBB 474J 630V) 3.8 Mạch tạo điện áp 5V SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 50 Hình 3-19: Mạch tạo điện áp 5V từ nguồn 12V Cầu chì có nhiệm vụ ngắt dòng dòng cấp nguồn dòng Nếu dòng lớn làm hỏng linh kiện, dễ cháy MOSFET Dùng 7805 để tạo điện áp 5V Mắc tụ hóa C2 C3 để lọc nhiễu nối đất Diode D1 cho dòng chiều chạy qua Tính toán chọn tụ lọc: Khi lắp tụ vào mạch điện có điện áp U tụ điện chọn có giá trị điện áp max cao gấp khoảng 1,4 lần Tụ điện C2: U1 = 1,4.12 = 16,8 (V) Tụ điện C3: U2 = 1,4.5 = (V) Do chọn tụ 4700/35 Giới thiệu 7805 IC ổn áp 7805 mạch tích hợp sẵn gói TO-220 với điện áp đầu cố định 5V, yêu cầu điện áp đầu vào tối thiếu 7V IC 7805 cung cấp điện áp đầu với dòng điện lên đến 1A Thông số kỹ thuật: Điện áp đầu vào tối thiểu: 2V Dòng cực đại trì: 1A Dòng đỉnh: 2,2A SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 51 Công suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W Hình 3-20: Sơ đồ chân 7805 Đối với IC 7805 có tích hợp bảo vệ nhiệt, bảo vệ ngắn mạch giữ vùng hoạt động an toàn transistor công suất mạch, để bảo vệ cho phá hủy Nếu đủ chìm nhiệt cung cấp 7805 cung cấp 1A sản lượng Mặc dù thiết kế chủ yếu điều chỉnh điện áp cố định, thiết bị sử dụng với thành phần bên để có điện áp điều chỉnh dòng SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 52 3.9 Mạch bảo vệ thấp áp Hình 3-21: Khối điện dò áp thấp Dùng diode zener 10 V Khi điện áp nhỏ 10V bình ác quy dòng điện không qua diode zener làm cho transistor NPN không mở làm điểm LV ( chân GP2) lên mức cao Khi ta lập trình để vi điều khiển không hoạt động sau 90 giây thời điểm đó, đèn báo hiệu led nhấy nháy tắt Đèn led sáng vi điều khiển hoạt động Khi mạch không hoạt động để bảo vệ bình acquy SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 53 3.10 Mạch làm quạt mát Hình 3-22: Mạch làm quạt mát Khi có dòng chân HL Pic 16F629, dòng kích mở transistor Q9 mở làm cho transistor Q10 mở Do dòng điện tăng lên để kích cho quạt hoạt động Loại quạt sử dụng 12V 3.11 Acquy 3.11.2.1 Khái niệm acquy Acquy nguồn điện trữ lượng điện dạng hoá Acquy nguồn điện chiều cung cấp điện cho thiết bị điện công nghiệp đời sống hàng ngày: động điện, bóng đèn điện, nguồn nuôi linh kiện điện tử Acquy nguồn cung cấp điện cho động khởi động.Trong thực tế có nhiều loại acquy phổ biến hai loại acquy chì acquy axit SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 54 3.11.2.2 Sự khác acquy kiềm acquy axit Acquy axit Acquy kiềm - Khả tải không cao, dòng -Khả tải lớn dòng điện nạp lớn đạt đuợc tải nạp lớn đạt tới: I I nmax = 20%C10 -Hiện tuợng phòng lớn, acquy nmax = 50%C10 -Hiện tuợng tự phóng nhỏ nhanh hết điện không sử dụng -Sử dụng rộng rãi đời sống, -Sử dụng nơi có yêu cầu công nghiệp đặc biệt nơi có công suất lớn tải thuờng nhiệt độ cao va đập lớn nhung công xuyên, đuợc sử dụng với thiết bị suất tải vừa phải công suất lớn -Dùng ôtô, xe máy -Dùng phổ biến công nghiệp hàng động máy nổ công suất vừa không, hàng hải nơi nhiệt độ nhỏ môi truờng thấp -Giá thành thấp -Giá thành cao Bảng 3-2: So sánh ưu nhược acquy axit acquy kiềm Ở em xin chọn acquy axit để sử dụng cấp nguồn cho nghịch lưu SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 55 3.12 Lưu đồ thuận toán Bắt đầu cấp nguồn Khởi tạo nghịch lưu Vcc Pic12F629 hoạt động Lái MOSFET Mở MOSFET Reset Biến áp tăng áp Điện áp 220VAC, tần số 50Hz, sin Kết thúc Kết luận: Trong chương em đưa ý tưởng thiết kế cho mạch nghịch lưu, lựa chọn tính toán linh kiện mạch SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 56 CHƯƠNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM Chương trình bày mô hình thiết kế đề tài, phân tích đánh giá kết 4.1 Mục tiêu thiết kế mô hình 4.1.2 Mục tiêu kĩ thuật - Bộ biến đổi hoạt động ổn định Khi có tải dạng sóng đầu sin để động hoạt động tốt Bộ biến đổi tự động dừng hoạt động điện áp accu acquy 10V, để - bảo vệ acquy linh kiện công suất mạch Mạch hoạt động liên tục công suất lớn mắc thêm nhôm tản nhiệt quạt mát 4.1.3 Yêu cầu nghịch lưu - Có kích thước nhỏ gọn , làm việc hiệu - Bộ nghịch lưu dễ dụng, an toàn cho người sử dụng - Mang tính thẩm mỹ tương đối 4.2 Mô hình thực tế Hình 4-1: Mô hình nghịch lưu SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 57 Hình 4-2: Tổng thể mô hình nghịch lưu 4.3 Kết thu Sau thời gian tìm hiểu, thiết kế, chế tạo chạy thử nghiệm mô hình, em đạt kết sau: Hình 4-3: Tín hiệu chân G S MOSFET SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 58 Hình 4-4: Ngõ HO LO IR2113 Hình 4-5: Sóng đo đầu 220VAC Như mạch đạt yêu cầu chất lượng điện áp, tần số, dòng điện biên độ xung SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 59 KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu thực đề tài hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Hoàng Mai với cố gắng nỗ lực thân, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp theo kế hoạch giao Trong đề tài em thực vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan nghịch lưu Tính toán xây dựng thành công mô hình thực nghiệm Ứng dụng rèn luyện kĩ vẽ mạch in phần mềm Altium rửa mạch in, hàn mạch thủ công tay Tuy nhiên, thời gian có hạn nên bên cạnh kết đạt được, đề tài chưa thực số vấn đề như: mạch thiết kế lắp ráp chưa thật tối ưu Nếu tích hợp vỉ mạch sản phẩm nghịch lưu gọn nhẹ, kinh tế, có giá trị thẩm mỹ cao Đề tài mở hướng phát triển sau : Từ biến đổi điện áp DC/AC dùng trường hợp điện công suất nhỏ ta phát triển nên thành biến đổi điện áp có công suất lớn ứng dụng rộng rãi đời sống Kết hợp mạch nạp acquy, ta xây dựng lưu điện (UPS) dùng cho thiết bị dân dụng, đặc biệt máy tính để bàn Những vấn đề chưa thực đề tài gợi ý cho nghiên cứu cho quan tâm đến lĩnh vực thiết kế điện tử công suất SV Trần Đăng Hùng SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất xây dựng [2] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (1991), Điện tử công suất lớn, Nhà xuất giao thông vận tải [3] Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] Lê Văn Doanh (1997), Điện tử công suất điều khiển động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Diễn đàn Điện Tử Việt Nam (www.dientuvietnam.net) [6] Datasheet Linh kiện Điện tử (www.datasheetcatalog.com) [7] Trang tìm kiếm thông tin (www.google.com) SVTH: Trần Đăng Hùng Trang 61