Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Đồ án môn học Sinh viên thực : Nông Văn Đức Lưu Thị Thu Lê Mai Xuân Nhóm 07-05B Tên đề tài :Tính tốn, thiết kế chế tạo mạch nghịch lưu nguồn áp pha  Nội dung cần hoàn thành: Lập kế hoạch thực Giới thiệu chung nghịch lưu Trình bày phương pháp tính tốn thiết kế nghịch lưu nguồn áp Thiết kế, chế tạo nghịch lưu nguồn áp pha đảm bảo yêu cầu: Sản phẩm đề tài đảm bảo tính cơng nghiệp có tính khả thi thực tiễn Với yêu cầu đề tài phải thiết kế nghịch lưu cho điện áp xoay chiều 220V từ nguồn ắc quy 12V, tần số mạch đo 400Hz, I đầu 2A, Mạch lấy nguồn ắc quy 12V cấp trsực tiếp cho mạch cho biến áp Biến áp sử dụng kích nhằm kích nguồn áp lên giá trị cao nhiều lần so với giá trị áp ban đầu Chính mạch có khả biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều nên mạch có tính thiết thực lớn thực tế Mạch mạch công suất linh kiện sử dụng phần lớn linh kiện công suất Mạch sử dụng van bán dẫn cơng suất Transistor, MOSFET, IGBT…Trong q trình chạy mạch xung tạo xung vng khuyếch đại lên van bán dẫn Transistor, IGBT… - Mục tiêu đề tài Nắm cách tổng quan phần tử bán dẫn công suất Nghiên cứu mạch nghịch lưu, hiểu nguyên lý làm việc mạch nghịch lưu, phương pháp biến đổi từ lựa chọn phương án tối ưu để có áp dụng đồ án ngồi thực tiễn Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha -.Kế hoạch tiến độ tuần STT Tuần Công việc thực 1,2 Người thực - Nhận đề tài, xếp công việc cho tuần ( phân chia công việc cho thành viên) Cả nhóm -Tìm tài liệu liên quan: Cả nhóm điện tử cơng suất, truyền động điện - Tìm hiểu ngun lý mạch có liên quan Cả nhóm đến đề tài - Tham khảo ý kiến người có chuyên Cả nhóm mơn, anh chị khóa trước -Đưa sở lý thuyết chung đề tài Cả nhóm 5,6.7 8.9.10 -.Đưa ý tưởng thiết kế mạch - Thiết kế sơ đồ ngun lý mạch, tính tốn thông số tiến hành chạy mô - Ráp mạch khảo sát bo mạch( gặp lỗi chỉnh sửa lại) - Đo, chuẩn đốn thơng số điện - Tiến hành vẽ mạch, in mạch - Lắp ráp hồn tất sản phẩm - Chuẩn hố nội dung, hoàn thành báo cáo 11.12 - Hoàn tất sản phẩm, kiểm tra toàn nội dung - Các phương án thực Cả nhóm Cả nhóm Cả nhóm Nhóm thực đề tài sử dụng hai phương pháp chủ yếu: - Phương pháp tham khảo tài liệu:Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng nguồn tài liệu mạng, tài liệu tham khảo từ anh chị khóa Đồ án mơn học: Mạch nghịch lưu cầu pha - Phương pháp thực hành: Song song với việc đọc tài liệu nhóm thực đề tài thực hành mơ hình để dễ dàng nắm bắt lý thuyết - Ý nghĩa đề tài Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên nghành kiến thức thực tế Đề tài thiết kế chế tạo thiết bị, mơ hình để sinh viên trường đặc biệt sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho học sinh, sinh viên khố sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu học tập Những kết thu sau hoàn thành đề tài trước tiên giúp chúng em hiểu sâu nghịch lưu, phương pháp biến đổi điện áp Từ tích luỹ kiến thức cho năm học sau thực tế Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NGHỊCH LƯU Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Bộ nghịch lưu biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi chiều thành xoay chiều Nguồn cung cấp chiều, nhờ khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào đầu cách chu kỳ để tạo nên đầu xoay chiều Khác với biến tần trực tiếp nghiên cứu, nghịch lưu điều áp chiều, hoạt động chúng phụ thuộc vào loại nguồn tải Các nghịch lưu phân thành hai loại: -Bộ nghịch lưu áp cung cấp từ nguồn áp chiều -Bộ nghịch lưu dòng cung cấp từ nguồn dòng chiều Loại nguồn xác định theo quan điểm chuyển mạch Điện áp dòng điện nghịch lưu áp hay nghịch lưu dòng tạo nên từ sóng nửa chu kỳ gọi nghịch lưu điều khiển tồn sóng Do phát triển linh kiện bán dẫn công suất phương pháp điều khiển, người ta thường sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM nửa chu kỳ tạo nên từ nhiều sóng có độ rộng thích hợp, nhờ dễ dàng lọc điện áp dòng điện Vì để bắt đầu nghiên cứu cần nghiên cứu làm việc với điều khiển tồn sóng làm sở so sánh với làm việc với điều biến đôh rộng xung Tiếp theo đề cập đến biến tần cộng hưởng suy giảm Chúng thường sử dụng để cung cấp cho tải cần tần số trung bình có hệ số cơng suất nhỏ ( đốt nóng cảm ứng), chúng đòi hỏi điều khiển đặc biệt Bộ biến tần nghịch lưu dòng áp thường sử dụng truyền động điện xoay chiều có tốc độ thay đổi Theo đề tài cách hướng dẫn ta tập trung vào nghiên cứu nghịch lưu áp cung cấp từ nguồn áp chiều 1.2 NGHỊCH LƯU ÁP Nghịch lưu áp thiết bị biến đổi nguồn áp chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý Nguồn áp nguồn sử dụng phổ biến thực tế Hơn điện áp nghịch lưu áp điều chế theo phương pháp khác để giảm sóng điều hòa bậc cao Trước nghịch lưu áp bị hạn chế ứng dụng cơng suất van động lực điều khiển hồn tồn nhỏ Hơn việc sử dụng nghịch lưu áp tiristo khiến cho hiệu suất biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp Ngày công suất van động lực IGBT, GTO, MOSFET trở nên lớn Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha có kích thước gọn nhẹ, nghịch lưu áp trở thành biến đổi thông dụng chuẩn hóa biến tần cơng nghiệp Do sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau sử dụng van điều khiển hồn tồn Trong q trình nghiên cứu ta giả thiết van động lực khóa điện tử lý tưởng, tức thời gian đóng mở khơng nên điện trở nguồn không 1.2.1 Nghịch lưu áp pha 1.2.1.1 Cấu tạo Sơ đồ nghịch lưu áp pha mô tả hình 1.9 Sơ đồ gồm van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 điôt 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 1.2.1.2 Nguyên lý làm việc Ở nửa chu kỳ cặp van T|, T2 dẫn điện, phụ tải đuợc đấu vào nguồn Do nguồn nguồn áp lên điện áp tải U1 = E, hướng dòng điện đường nét đậm Tại thời điểm Ti T2 bị khóa, đồng thời T T4 mở tải đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức dấu điện áp tải đảo chiều ut = - E thời điểm Do tải mang tính trở cảm nên dòng giữ ngun 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 T3, T4 dòng tải khép mạch qua D1 D2 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua điơt iD dòng qua tiristo biểu diễn hình 1.10 Biểu thức điện áp dòng điện tải : Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu 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 1.2.2 Nghịch lưu áp ba pha Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha hình 1.11 ghép từ ba sơ đồ pha có điểm trung tính Để đơn giản hóa việc tính tốn ta giả thiết sau : • Giả thiết van lý tưởng, nguồn có nội trở nhỏ vơ dẫn điện theo hai chiều • Van động lực T1 T2, T3 T4 T5 T6 làm việc với độ dẫn điện Ẩ = 180P,Z a =Z b =Z c Các điôt D1 D2, D3 D4, D5, D6 làm chức trả lượng nguồn tụ C đảm bảo nguồn cấp nguồn áp đồng thời tiếp nhận lượng phản kháng từ tải Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Để đảm bảo tạo điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện van phải tuân theo đồ thị hình (1.12) Như Ti, T4 dẫn điện lệch 1800 tạo pha A T3, Tố dẫn điện lệch 1800 để tạo pha B T5, T2 dẫn điện lệch 1800 để tạo pha c, pha lệch 1200 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Dạng điện áp pha UZA, UZB, UZC có dạng hình 1.13 có giá trị hiệu dụng tính cơng thức sau : Suy ra: 10 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 30 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 3.2.5 Tính chọn cầu chì - Mạch điện tính tốn với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA 2A Để tránh tượng làm việc tải hay ngắn mạch gây cố phá hỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ cầu chì cắt nhanh, với dòng điện làm việc xác định ICC = K.I = 1,5 = (A) Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2A ; điện áp 250V loại cắt nhanh 3.3 Thiết kế mạch điều khiển 3.3.1 Nhiệm vụ chức mạch điều khiển : *Nhiệm vụ Như biết MOSFET van điều khiển hoàn tồn tức điều khiển mở xung khố xung nên mạch điều khiển phải có chức sau : - Điều chỉnh độ rộng xung nửa chu kì dương điện áp đặt lên colector emitor van - Tạo xung âm có biên độ cần thiết để khố van chu kì lại 31 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha -Xung điều khiển phải có đủ biên độ lượng để mở khoá van chắn -Tạo đươc tần số theo yêu cầu -Dễ dàng lắp ráp, thay cần thiết, vận hành tin cậy, ổn định -Cách ly với mạch động lực *Yêu cầu chung mạch điều khiển : Mạch điều khiển khâu quan trọng hệ thống, phận định chủ yếu đến chất lượng độ tin cậy biến đổi nên cần có u cầu sau : • Về độ lớn dòng điện điện áp điều khiển: Các giá trị lớn không vượt giá trị cho phép Giá trị nhỏ phải đảm bảo đủ cung cấp cho van mở khố an tồn Tổn thất cơng suất trung bình cực điều khiển nhỏ giá trị cho phép • Yêu cầu tính chất xung điều khiển : Giữa xung mở cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết phải lớn thời gian khơi phục tính chất điều khiển van • Yêu cầu độ tin cậy mạch điều khiển : Phải làm việc tin cậy môI trường trường hợp nhiệt độ thay đổi , có từ truờng * Yêu cầu lắp ráp vân hành : Sử dụng dễ dàng , dễ thay , lắp ráp 3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển: Để tạo khối phát xung ta sử dụng vi mạch CD4047B có thơng số sau : 32 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Sơ đồ chân vi mạch sau: 33 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Cấu trúc vi mạch sau: 34 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Hoạt động IC sau: - Hoạt động chân astable phép đạt đầu vào chân mức cao mức thấp chân chân - Độ rộng xung vuông Q hàm đầu vào phụ thuộc vào RC Chân astable cho phép mạch làm tạo dao động đa hài qua cổng Độ rộng xung chân 13 1/2 đầu Q chế độ astable Tuy nhiên điều 50% Trong chế độ ổn định đơn có sườn dương đầu vào +trigger(8) chân trigger(6) mức thấp xung đầu vào thuộc thời điểm tương ứng với xung đầu Chân 12 cho phép kích mở trở lại xung dương Đặc điểm vi mạch sau: - Công suất tiêu thụ thấp - Hoạt động trạng thái đơn chế độ không ổn định - Các đầu ổn định mức thể bù bổ xung u cầu tín hiệu nhât ngồi R C đầu vào có điệm kiểm tra tĩnh điện áp 20Vđược chuẩn hố đặc tính , đặc tính đầu chuẩn đối xứng Có tác dụng cách ly mạch động lực mạch điều khiển, tín hiệu điều khiển truyền nguyên vẹn từ mạch điều khiển tới mạch lực Hình 3.2 Phần tử cách ly quang 35 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Sau có xung từ khối so sánh diode dẫn phát tín hiệu vào cực B tranzito OPTO Nếu cực C tranzito có điện áp cấp vào từ mạch nguồn tranzito dẫn đặt điện áp vào cực G MOSFET Mạch sử dụng cách ly quang PC817 với thơng số bảng sau Tính chọn giá trị điện trở ==210(Ω)Vậy ta chọn R1=330(Ω) phù hợp 36 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 4.1 Tính tốn, thiêt kê mạch động lực 4.1 Tính tốn chọn IGBT - Điện áp đặt vào van: U=310V - Coi tải trở ta có dòng qua van Coi van cơng suất chọn phải vào thơng số dòng điện điện áp mạch Cụ thể van công suất tính chọn phải thỏa điều kiện nhà sản xuất quy định Trong thơng số thường phải ưu tiên hàng đầu tính chọn va công suất điện áp làm việc van Uv; dòng điện hiệu dụng chảy qua van dòng điện trung bình chảy qua van Trong điện áp van chọn phải thỏa mãn điều kiện =(1.6÷2) => 2×310 = 620V Còn dòng điện van sơng suất chọn phụ thuộc vào điều kiện làm mát Nếu va bán dẫn công làm mát tản nhiệt đối lưu tự nhiên khả chịu dòn điện 25÷30% dòng định mức ghi van Nếu van bán dẫn công suất làm mát tản nhiệt có quạt gió làm mát khả chịu dòng điện 50÷70% dòng định mức ghi van Nếu van bán dẫn công dược làm mát tản nhiệt có dung dịch làm mát khả chịu dòng điện đạt 100% dòng định mức ghi van.Theo cách ta chọn điều kiện làm mát tản nhiệu đối lưu tự nhiên Vì ta có : I = (25÷30%) IVRMS  IVRMS =(2.3*100)/25=9,2A Chọn van có: = 600V = 10A Căn vào tính tốn ta chọn IGBT : FGA25N120AN 37 Đồ án mơn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Tính FGA25N120AN: - Tốc độ chuyển mạch nhanh - Điện áp bão hòa thấp: VCE(sat) =2.5 V, IC =25A - Trở kháng vào cao 4.1.3 Bảo vệ IGBT Thông thường IGBT sử dụng mạch đóng cắt tần số cao, từ đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao vậy, cố phá hủy phần tử nhanh dẫn đến phá hỏng toàn thiết bị Sự cố thường xảy q dòng ngắn mạch từ phía tải từ phần tử có lỗi chế tạo lắp ráp Có thể ngắt dòng IGBT cách đưa điện áp điều khiển giá trị âm Tuy nhiên q tải dòng điện đưa IGBT khỏi chế độ bão hòa dẫn đến cơng suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khóa IGBT lại thời gian ngắn dòng điện lớn dấn đến tốc độ tăng dòng lớn, gây áp collector, emiter, đánh thủng phần tử Bên cạnh sảy cố bất ngờ, ảnh hưởng nhiễu Chính ta phải tính tốn bảo vệ cho van bán dẫn sảy cố… Để bảo vệ ngắn mạch q tải dòng điện dùng Aptơmat cầu chì - Nguyên tắc chọn thiết bị theo dòng điện với Ibv = (1,1÷1,3)Ilv -Dòng bảo vệ Aptơmat khơng vượt q dòng ngắn mạch máy biến áp Từ ta chọn cầu chì dể bảo vệ với: Ibv = (1,1÷1,3)Ilv= 1.3*2.3=2.99 (A) Ta chọn cầu chì 3A để bảo vệ q dòng cho IGBT 4.1.4 Tính tốn làm mát cho IGBT Thiết bị bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ Nếu làm việc nhiệt độ mặt ghép lớp nhiệt độ cho phép Tjm , gây phá hỏng thiết bị bán dẫn Vì việc tính tốn tỏa nhiệt cho mặt ghép cần thiết: + Khi tính tốn sơ đồ đẳng trị nhiệt thể sau: Trong đó: Tj: Là nhiệt độ mặt ghép Tv: Là nhiệt độ vỏ thiết bị bán dẫn Tr: Là nhiệt độ cánh tản nhiệt Ta: Là nhiệt độ khơng khí môi trường làm việc 38 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Rjv: Nhiệt trở mặt ghép vỏ thiết bị bán dẫn Rvt: Nhiệt trở vỏ cánh tán nhiệt Rra: Nhiệt trở cánh tản nhiệt khơng khí mơi trường Hình 4.3: Sơ đồ đẳng trị nhiệt + Nhiệt độ truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, cơng suất nhiệt truyền tỉ lệ thuận với nhiệt sai tỉ lệ nghịch với nhiệt trở Rth ∆P= Trong T1 nhiệt độ vùng nóng, T2 nhiệt độ vùng lạnh, nhiệt trờ Rth = Rjv + Rvr + Rra tính - Trong toán nhiệt thường đưa cho biết Tjm, Ta, Rth, ∆P Yêu cầu xác định biện pháp làm mát đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát m/s 39 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Hình 4.4: a) Đặc tính vol-ampe b ) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt tốc độ quạt làm mát c) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt môi trường Với kiện ta chọn tản nhiệt tản nhiệt đối lưu có T1 = 155 oC, T2 = 30 oC, ∆P = 125 => Rth=1oC/W ta chọn loại tản nhiệt đây: Hình 4.5: Tản nhiệt tiêu chuẩn 4.1.5 Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT Để khuếch đại tín hiệu điều khiển IGBT có phương án: 40 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha - Biến áp xung IC chuyên dụng Transistor Khuếch đại biến áp xung có khả cách ly khó khăn cách sử dụng chế tạo Khuếch đại transistor nhỏ gọn biến áp xung dùng cho mạch công suất nhỏ Khuếch đại IC chuyên dụng mạch sử dụng IC IR2110 vừa đáp ứng tần số lớn vừa sử dụng dễ khơng đòi hỏi kiến thức chun sâu 5.1 Tính tốn, thiêt kê mạch điêu khiên 5.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình 2.8: Sơ đồ ngyên lý mạch điều khiển 41 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 5.1.2 Tính tốn tần số đầu mạch điều khiển Tần số nghịch lưu f=400Hz ta phải tính tốn tần số xung IC SG3525 cho có tần số 400Hz Hình 5.1: Sơ đồ khối IC SG3525 Tần số dao động IC SG3525 tính theo cơng thức (theo datasheet): Như tần số dao động phụ thuộc vào CT, RT RD Tần số dao động gấp đôi tần số đầu nên để muốn tần số đầu 50Hz fosc=100Hz Ta chọn CT=0.1uF RD=220 Ω thay vào công thức trên: 42 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha ta suy RT=141.9 kΩ  Chúng ta chọn RT biến trở 100k trở thường 100k 4.3.2 Sơ đồ mạch in 4.3.3 Sơ đồ bố trí linh kiện Tiếp tục hồn thành 43 Đồ án mơn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 44 ... toàn mạch 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 24 Đồ án mơn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 25 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha 5.2.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch. .. số nghịch lưu 50Hz ta phải tính 100H Z theo công thức 21 Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Chương 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP PHA 3.1 Sơ đồ khối tồn mạch 22 Đồ án mơn học: Mạch. .. bảo nguồn cấp nguồn áp đồng thời tiếp nhận lượng phản kháng từ tải Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Đồ án môn học: Mạch nghịch lưu cầu pha Để đảm bảo tạo điện áp ba pha đối xứng luật dẫn