1 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2015 -2016 Tên đề tài: ““Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đổi điện 220V /110V– 20A không dùng biến áp” Số hợp đồng: 2016.01.11/HĐ-KHCN ký ngày 05/01/2016 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Phước Tường Vân Đơn vị công tác: Khoa Điện – Điện tử Thời gian thực hiện: 02/01/2016 đến 30/7/2016 TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1- Thực trạng: Hiện nay, thị trường Việt Nam có nhiều thiết bị điện dân dụng sử dụng điện áp 110V nhập theo nhiều nguồn, từ nước khác giới (như Nhật, Mỹ …) nước có lưới điện quốc gia 110V Để sử dụng thiết bị điện này, người dùng phải mua biến áp đổi điện từ 220V lưới điện quốc gia thành 110V Các thiết bị dân dụng thường có cơng suất từ vài trăm watt đến 1000W nên biến áp phải có khả cung cấp dòng từ 5A đến 10A Tại trường Đại học, Cao đẳng đào tạo ngành kỹ thuật điện, điện tử thường dùng đổi điện 220V lưới điện thành 110V cung cấp cho mạch điều khiển hay thiết bị điện có điện áp 110V 2- Các biến đổi có: Các biến đổi điện áp thị trường có thơng số kỹ thuật là: - 220V/110V – 5A hay 220V/110V – 10A Có hai loại biến đổi điện áp: - Loại dùng biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu; - Loại dùng mạch điện tử công suất để chuyển đổi Loại dùng máy biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu có nhược điệm: - Kích thước lớn, nặng nề; - Hiệu suất thấp tổn hao cơng suất dây quấn lõi thép; - Đắt tiền Loại dùng mạch điện tử cơng suất chuyển đổi có nhược điểm: - Điện áp cung cấp cho tải bị cắt theo chu kỳ dòng điện làm dòng điện xoay chiều thành dòng điện khơng hình sin; - Loại thường cung cấp cho loại tải sinh nhiệt như: bàn ủi, bếp điện 3- Lý thực đề tài: Nghiên cứu thiết kế đổi điện 220V/110V - 5A hay 10A cho điện áp hình sin để cung cấp cho loại thiết bị điện điện tử khác mà thiết bị hoạt động theo yêu cầu kỹ thuật Đề tài sử dụng lý thuyết kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp để tạo mạch đổi điện có kích thước gọn nhẹ, tổn hao giá thành rẻ, làm việc ổn định Với đổi điện 220V/110V dùng kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp giúp người dùng mạnh dạn sử dụng thiết bị điện 110V giá rẻ có nhiều thị trường Các phòng thí nghiệm / thực hành trường đại học, cao đẳng có thiết bị dạy học tiện lợi đại phục vụ cho mơn học như: Máy điện, Khí cụ điện, Điện tử công nghiệp, Điện tử công suất … Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương 1: ĐỔI ĐIỆN DÙNG MÁY BIẾN ÁP THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP (MBA) 220V/110V- 10A Để thực việc đổi điện từ 220V thành 110V cung cấp cho thiết bị dân dụng mua từ nước có nguồn điện 110V hay 110V (như Mỹ, Nhật,…), thường sử dụng biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu Loại biến áp 220V/110V thông dụng thị trường loại có dòng điện thứ cấp 10A Nơi dung chương giới thiệu cách tính tốn lõi thép dây quấn biến áp cách ly loại 220V/110V – 10A để so sánh với thiết bị nghiên cứu thực đề tài §1.1 ĐỊNH NGHĨA MBA thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp mạng điện xoay chiều giữ nguyên tần số Phía nhận điện áp từ nguồn gọi sơ cấp, đại lượng sơ cấp ký hiệu số 1, phía cung cấp điện cho tải gọi thứ cấp, đại lượng thứ cấp ký hiệu số Nếu: U1 > U2: MBA giảm áp; U1 < U2: MBA tăng áp §1.2 PHÂN LOẠI a Theo cấp điện áp: - Hạ áp: có mức điện áp 1000V; - Trung áp: có mức điện áp từ 1kV đến 110kV; - Cao áp: có mức điện áp từ 110kV trở lên b Theo số pha: MBA pha pha c Theo công dụng: máy tăng áp giảm áp d Theo cấu tạo: - Biến áp cách ly; - Biến áp tự ngẫu; - Lõi thép hình E I, hình C, hình vành xuyến; - Lõi thép sắt hay sắt bụi §1.3 CẤU TẠO Gồm hai phần lõi thép dây quấn Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 1.3.1 Lõi thép: Lõi thép ghép thép kỹ thuật điện, nhiệm vụ lõi thép làm mạch dẫn từ Lõi thép bao gồm trụ thép gơng từ, đó, trụ thép nơi đặt dây quấn, gơng từ phần khép kín mạch từ trụ Khi từ thơng xoay chiều qua lõi thép, gây dòng điện xốy lõi thép Để giảm dòng điện xốy này, lõi thép ghép từ thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm Lõi thép có kiểu sau: - MBA kiểu lõi hay kiểu trụ: thông dụng cho MBA pha ba pha có dung lượng nhỏ trung bình; ghép chữ U I xen kẽ ( mạch từ không phân nhánh); - MBA kiểu bọc: ghép thép chữ E, I xen kẽ Đây loại mạch từ phân nhánh thường dùng cho pha Để giảm dòng điện xốy lõi thép, người ta dùng thép kỹ thuật điện (dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với thành lõi thép Lõi thép gồm phận: trụ gơng tạo thành mạch từ khép kín - Trụ từ nơi để đặt dây quấn; - Gông từ phần khép kín mạch từ trụ Tiết diện trụ từ hình vng, hình chữ nhật hay hình tròn có bậc… Loại trụ từ có tiết diện hình tròn có bậc thường dùng cho MBA cơng suất lớn Hình 1.1: Các dạng lõi thép kiểu bọc E-I Hình 1.2: Các dạng lõi thép kiểu trụ U-I 1.3.2 Dây quấn: Dây quấn MBA chế tạo dây đồng nhơm, có tiết diện hình tròn hình chữ nhật, Bên ngồi dây quấn bọc cách điện Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử Dây quấn tạo thành bánh dây (gồm nhiều lớp) đặt vào trụ lõi thép Giữa lớp dây quấn, dây quấn dây quấn lõi thép phải cách điện tốt với Phần dây quấn nối với nguồn điện gọi dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải gọi dây quấn thứ cấp Hình 1.5a Hình 1.5b Trong hình 1.5, cuộn sơ cấp thứ cấp quấn riêng trụ bên lõi thép chữ U Trong hình 1.5b, cuộn sơ cấp thứ cấp quấn chung trụ lõi thép chữ E MBA thường có nhiều dây quấn Khi dây quấn đặt trụ, dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng Làm giảm vật liệu cách điện khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm kích thước MBA Để làm mát tăng cường cách điện cho MBA, người ta thường đặt lõi thép dây quấn thùng chứa dầu MBA Đối với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt nhiều trường hợp phải làm mát cách đặt quạt gió thổi vào cánh tản nhiệt Ngồi có sứ xuyên để nối đầu dây quấn ngoài, phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơle để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết bị chống ẩm v.v… Dầu MBA: có tác dụng giải nhiệt cách điện; Ống dầu đối lưu: tăng cường giải nhiệt nhờ tượng đối lưu; Sứ cách điện: dùng để nối đầu dây sơ cấp thứ cấp ngoài; Rơ-le hơi: áp suất máy biến áp tăng cao làm hở rơ-le phun dầu ngoài, tránh nổ MBA Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử §1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT 1.4.1 Điện áp định mức: - Điện áp sơ cấp định mức: U1đm (V, kV) điện áp nguồn cung cấp vào cuộn sơ cấp; - Điện áp thứ cấp định mức: U2đm (V, kV) điện áp bên thứ cấp không tải điện áp đặt vào sơ cấp định mức 1.4.2 Công suất định mức: Công suất biểu kiến thứ cấp cung cấp cho tải: Sđm (VA, kVA), đặc trưng cho khả chuyển tải lượng máy: - MBA pha: Sđm = U2đm I2đm (VA, kVA) - MBA pha: Sđm = U2đm¬.I2đm (VA, kVA) 1.4.3 Dòng điện định mức: - Dòng điện sơ cấp định mức: I1đm (A) tương ứng với công suất điện áp định mức bên sơ cấp: MBA pha: I 1dm  S1dm U 1dm MBA pha: I 1dm  S dm 3U 1dm - Dòng điện thứ cấp định mức: I2đm (A) tương ứng với công suất điện áp thứ cấp định mức MBA pha: I dm  Sdm U dm MBA pha I dm  S dm 3U dm 1.4.4 Tần số định mức: fđm(Hz) tần số nguồn điện đặt vào sơ cấp 1.4.5 Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un% điện áp cấp vào sơ cấp thứ cấp bị nối tắt 1.4.6 Tổ nối dâu MBA: Đối với MBA pha, tổ nối dây cho biết kiểu nối dây sơ cấp thứ cấp, đồng thời cho biết góc lệch pha sức điện động dây sơ cấp thứ cấp §1.5 THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP CÁCH LY PHA Để thiết kế máy biến áp, ta cần thiết kế khuôn giấy khuôn gỗ cho dây quấn 1.5.1 Xác định kích thước: akh = a + (1 đến 2mm) (kh: khuôn) bkh = b + (1 đến 2mm) Hhd = h – [2ckh + (1 đến 2mm)] (hd: hiệu dụng) đó: Hhd: chiều cao hiệu dụng ckh: bề dầy giấy cách điện làm khuôn b: bề dầy mạch từ nhân với hệ số ghép fer Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử c b Hình 1.7: Kích thước lõi chữ E a h 1.5.2 Cắt khuôn: 3-4mm hhd akh bkh akh bkh akh Hình 1.8a: Kích thước khn giấy cách điện Hình 1.8b: 1.5.3 Các bước tính tốn: Bước 1: - MBA có số liệu U1, U2, I2: 220V, 110V, 10A - Công suất biểu kiến thứ cấp: S2 = U2.I2 = 110 10 = 1.100VA Bước 2: Tính tiết diện lõi thép theo lý thuyết At  1,423.k hd S2 1100 1,423.1  47,2 B Với: khd hệ số hình dạng lõi thép kiểu E I, chọn khd = At tiết diện tính tốn, B cảm ứng từ, chọn B = Tesla Tính tiết diện lõi thép theo thực tế: Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử (chọn kf = đến 0,95) At = a.b.kf At = a.b.0,95  a.b = 49,68 Bước 3: Tính số vòng dây, đường kính dây Số vòng dây cho volt: NV  10 10   0,9vòng / V 4,44 f At B 4,44.50.49,68.1 Số vòng dây cuộn sơ cấp: N1 = NV U1 = 0,9.220 = 198 vòng Số vòng dây cuộn thứ cấp: N2 = NV U2.Ch = 0,9.110.1,16 = 114 vòng số sụt áp tra bảng 1.16%) (Ch: hệ Dòng điện định mức sơ cấp: I1  S2 1100   5,55 A U 0,9.220 (: hiệu suất biến áp chọn 90%) Đường kính dây cuộn sơ cuộn thứ : I 5,5  1.13  1,08mm J cp / mm d  1,13 Với: JCP: mật độ dòng điện cho phép (JCP dây đồng 6A/mm2) - Bước 4: Kiểm tra hệ số lắp đầy: k LD  (từ 0,36 đến 0,46) tong.dien.tich.day.quan  be.day.cach.dien dien.tich.cua.so.lap.day SL  Với số lớp cuộn dây: Số vòng/lớp = H hd k q d so.vong.cuon.day so.vong / lop kq = 0,9 – 0,95 Hhd: chiều cao hiệu dụng d: đường kính dây kể cách điện Diện tích cửa sổ: c.h.3/4a2 Tính tốn thực tế: U1 = 220 V U2 = 110 V I2 = 10 A *Công suất biểu kiến thứ cấp : S2 = U2 I2 = 110 10 = 1100VA *Tiết diện lõi thép theo lý thuyết : Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử (Chọn At  1,423.1 =1 ) 1100 = 47,2 cm *Một thép có bề dày 0,35 ÷ 0,5mm Chọn bề dày thép 0,5mm = 0,05cm *Tiết diện lõi thép thực tế : At = a.b.kf (Chọn hệ số ghép a.b = = 0,95 = 70,257 cm² Ta chọn a = b, b = 1,5a Suy : amax = 7,05 cm amin = 5,75 cm  a = 5,75 ÷ 7,05 cm Chọn a = 6,5 cm  b = 7cm Trong đó: b = bề dày thép × tống số thép Tổng số thép sử dụng 176  b = 8,8 cm Tính lại xác giá trị At: At = a.b = 6,5.7 = 45,5cm2 *Ta sử dụng dây quấn từ dây đồng có mật độ dòng điện cho phép Jcp = 6A/mm² *Đường kính dây quấn cuộn sơ cấp thứ cấp d1  1,13 5,5  1,08mm d  1,13 11  1,53mm *Đường kính dây quấn có lớp cách điện cuộn dây d1 = 1,08 + 0,05 = 1,13 mm d2 = 1,53 + 0,5 = 1,58 mm *Lõi thép E,I có kích thưóc tiêu chuẩn sau (Hình 1.2) Bế rộng cửa sổ c = = = cm Bề cao cửa sổ h= = = 12 cm Diện tích cửa sổ mạch từ : Acs = c h = a² = 48 cm² Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 10 *Ta có khối lượng riêng thép kỹ thuật điện Pthép = 7,8kg/dm3 = 7,8g/cm3 Khối lượng lõi thép: Wth = 6a²b.7,8 = 6,5².7.7,8 (gam) = 13,8kg *Số vòng dây lớp cuộn sơ cấp = = *Số lớp quấn dây cuộn sơ cấp = = = 65 vòng (Chọn kq = 0,9) = 2.16 lớp = lớp *Số vòng dây lớp cuộn thứ cấp = = *Số lớp quấn dây cuộn thứ cấp = = = 48 vòng (Chọn kq = 0,9) = 1,47 lớp = lớp = × (1,55 mm + 0,446 mm) = 5,988 mm *Khối lượng dây đồng sử dụng để quấn máy biến áp: Biết khối lượng riêng đồng 8,9.103kg/m3 Khối lượng dây = chiều dài dây x tiết diện dây x khối lượng riêng Chiều dài dây sơ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây sơ cấp = = 2.(6,5 +7).141= 30,8 m Tiết diện dây sơ cấp = 3,14 d12 / = 3,14 1,552/4 = 3,54 mm2 Khối lượng dây sơ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng = 30,8 3,54.10-6 8,9.103 = 997g Chiều dài dây thứ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây thứ cấp = = 2.(6,5 + 7).71= 19,17m Tiết diện dây thứ cấp = 3,14 d22 / = 3,14.2,112/4 = 3,49 mm2 Khối lượng dây thứ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng = 19,17 3,49 10-6 8,9 103 = 595g Tổng khối lượng đồng quấn máy biến áp 997 g + 595 g = 1,56kg Vậy: Khối lượng thép cần là:13,8 kg Khối lượng đồng cần là: 1,56kg Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 20 Hình 4.2: Mạch AC/AC pha điều khiển góc pha, tải R Hình 4.3: Mạch AC/AC pha điều khiển góc pha, tải R-L Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 21 Hình 4.3a cho thấy dạng điện áp nguồn VS dạng dòng điện tải pha hai bán kỳ AC với tải R-L, γ góc kích trễ bán kỳ Hình 4.3b dạng điện áp tải R-L, hình 4.3c dạng điện áp rơi SCR mạch hoạt động 4.2.2 Điều khiển On/Off Khi điều khiển On/Off, công-tắc kết nối tải vài chu kỳ điện áp vào ngắt kết nối vài chu kỳ Điều khiển On/Off thay cho điều khiển góc pha phương pháp tích phân chu kỳ Các chuyển mạch điều khiển On thời gian tn với n chu kỳ tích hợp, điều khiển Off thời gian tm với m chu kỳ loại bỏ (hình 7.4) Với cách điều khiển này, SCR hay triac điều khiển On hay Off thời điểm chu kỳ Như vậy, sóng hài tần số nhiễu thấp Hình 4.4: Mạch AC/AC pha điều khiển On/Off Hình 4.4a: thời gian tn dẫn chu kỳ, thời gian tm ngắt chu kỳ, hình 4.4b: hệ số cơng suất với k chu trình làm việc Cho điện áp vào hình sin: v(t )  2VS sin t Điện áp hiệu dụng là: VO  VS k Chu trình làm việc k là: k Hệ số cơng suất là: PF  k n nm 4.2.3 Điều khiển dùng chopper AC PWM Hình 4.5: Mạch chuyển đổi AC/AC pha dùng PWM Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 22 Để cải thiện sóng hài, hiệu suất điều khiển điện áp AC, chất lượng dòng điện hệ cơng suất ngõ vào, dùng phương pháp điều khiển PWM chopper PWM AC Khi điều khiển mạch chuyển đổi AC/AC dùng chopper AC điều khiển điện áp PWM AC, cơng-tắc đóng ngắt nhiều lần nửa chu kỳ điện áp vào Sơ đồ điều khiển dùng chopper pha hình 4.5 Hình 4.6: Dạng sóng điện áp, dòng điện mạch chuyển đổi AC/AC pha dùng chopper PWM Trong sơ đồ, công-tắc S1 S2 điều khiển dẫn ngắt nhiều lần bán kỳ dương âm điện áp vào, tương ứng S‘1 S‘2 điều khiển dẫn để tải xả điện S1 S2 ngưng Một tụ điện lọc ngõ vào thiết kế để giảm ảnh hưởng mạch ngắt dẫn tần số cao để nâng cao hệ số công suất ngõ vào Hình 4.6 dạng sóng điện áp dòng điện ngõ mạch pha dùng chopper PWM Chỉ số điều chế m thay đổi từ đến Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 23 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐỔI ĐIỆN 220V/110V KHÔNG BIẾN ÁP DÙNG KỸ THUẬT XUNG §5.1 SƠ ĐỒ KHỐI 220V 50Hz Khối giảm áp Khối nắn điện, lọc điện Mạch tạo xung tần số cao 220V – 50Hz Mạch công suất Mạch cách ly Tải pha 110V Hình 5.1: Sơ đồ khối đổi điện 220V/110V Bộ đổi điện 220V/110V khơng biến áp dùng kỹ thuật xung có sơ đồ khối hình 5.1 Nhiêm vụ khối phân tích phần sau §5.2 KHỐI GIẢM ÁP Do yêu cầu đề tài không dùng biến áp nên mạch giảm áp dùng tu C kết hợp điện trỡ R để giảm áp Hình 5.2a mạch giảm áp dùng RC (C = 1,1µF, R = 390kΩ) khối nguồn Hình 5.2a: Mạch giảm áp Hình 5.2b: Sơ đồ khối nguồn Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 24 §5.3 KHỐI NẮN ĐIỆN, LỌC ĐIỆN, ỔN ÁP CHO NGUỒN ĐỐI XỨNG Để cấp nguồn cho khối công suất dùng MOSFET bổ phụ cần nguồn đối xứng, mạch cấp điện DC chọn mạch nắn điện bán kỳ có lọc điện dùng diod để tạo nguồn ±VCC Hình 5.3 mạch nắn điên bán kỳ, lọc điện dùng diod để tạo nguồn ±VCC Hai diod zener có tác dụng ổn áp cho mạch nguồn DC mức ±12V Hình 5.3: Mạch nắn điện, lọc điện, ổn áp §5.4 MẠCH TẠO XUNG TẦN SỐ CAO Mạch tạo xung tần số cao dùng IC 555 mạch đa hài phi ổn điều chỉnh độ rộng xung 5.4.1 Mạch phi ổn +VCC=12V INạp RA RB IXả 555 R1=1,2k 0.01 C Hình 5.4: Mạch đa hài phi ổn Sơ đồ mạch hình 5.4 ứng dụng IC 555 làm mạch đa hài phi ổn để tạo xung vuông Trong mạch, chân ngưỡng (Threshold) số nối với chân nảy (Trigger) số nên hai chân có chung điện áp điện áp tụ C để so với điện áp chuẩn 2/3V CC 1/3VCC OP-AMP (1) OP-AMP (2) Chân có tụ nhỏ 01 nối mass lọc nhiễu tần Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 25 số cao làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3VCC Chân nối nguồn +VCC nên không dùng chức Reset, chân xả điện nối vào hai điện trở RA RB tạo đường xả điện cho tụ Ngõ chân có điện trở giới hạn dòng 1,2k Led để biểu thị mức điện áp (chỉ dùng trường hợp tần số dao động thấp từ 20Hz trở xuống tần số cao 40Hz trạng thái sáng tắt Led khó nhận biết mắt thường) Khi đóng điện tụ C bắt đầu nạp từ 0V lên nên: - OP-AMP (1) có VI+ < VI- , ngõ VO1 = mức thấp, ngõ R = “0” (mức thấp) - OP-AMP (2) có Vi+ > Vi- , ngõ VO2 = mức cao, ngõ S= “1” (mức cao) - Mạch F/F có ngõ S = nên Q = Q = Lúc đó, ngõ chân có VO  VCC (do qua mạch đảo) làm Led sáng - Transistor T2 có VB2 = 0V Q = “0”, T2 ngưng dẫn để tụ C nạp điện Tụ C nạp điện qua RA, RB với số thời gian nạp: nạp = (RA + RB) C Khi điện áp tụ tăng đến 1/3VCC OP-AMP (2) đổi trạng thái, ngõ có VO2 = mức thấp, ngõ S = “0” (mức thấp) Khi S xuống mức thấp F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ mức cao, Led sáng Khi điện áp tụ tăng đến mức 2/3VCC OP-AMP (1) đổi trạng thái, ngõ có VO1 = mức cao, ngõ R= “1” - Mạch F/F có ngõ R = nên Q = “1”, lúc chân có VO  0V làm Led tắt Khi ngõ Q = “1” làm T2 dẫn bão hòa chân nối mass làm tụ C không nạp tiếp điện áp mà phải xả điện qua RB transistor T2 xuống mass Tụ C xả điện qua RB với số thời gian: xả = RB.C Khi điện áp tụ (tức điện áp chân chân 6) giảm xuống 2/3V CC OPAMP (1) đổi trở lại trạng thái cũ VO1 = mức thấp, ngõ R = “0” Khi R xuống mức thấp F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ mức thấp, Led tắt Khi điện áp tụ giảm xuống đến mức 1/3VCC OP-AMP (2) lại có VI+ > VI- nên ngõ VO2 = mức cao, ngõ S = “1” Mạch F/F có ngõ S = “1” nên Q = “1” Q = “0”, ngõ chân qua mạch đảo có VO +VCC làm Led lại sáng, đồng thời lúc T2 phân cực Q = “0” nên ngưng dẫn đồng thới chấm dứt giai đoạn xả điện tụ Như vậy, mạch trở lại trạng thái ban đầu tụ lại nạp điện từ mức 1/3VCC lên mức 2/3VCC , tượng tiếp diễn liên tục tuần hoàn Lưu ý: Khi mở điện tụ C nạp điện từ 0V lên 2/3VCC sau tụ xả điện từ 2/3VCC xuống 1/3 VCC không xả xuống 0V Những chu kỳ sau tụ nạp từ 1/3VCC lên 2/3VCC không nạp từ 0V Thời gian tụ nạp thời gian VO  +VCC, Led sáng Thời gian tụ xả thời gian VO  0V, Led tắt Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 26 Thời gian nạp xả tụ tính theo công thức: * Thời gian nạp: tnạp = 0,69nạp tnạp = 0,69(RA + RB) C * Thời gian xả: txả = 0,69xả txả = 0,69RB.C Điện áp ngõ chân có dạng hình vng với chu kỳ: T = tnạp + txả T = 0,69(RA + 2RB) C Do thời gian nạp thời gian xả không (tnạp > txả) nên tín hiệu hình vng khơng đối xứng Tần số tín hiệu hình vng: f  1  T 0,69( R A  RB )C 5.4.2 Dạng sóng chân VC (2/3)VCC Chân - (1/3)VCC VD tNạp txả t Chân t V0 Chân t Hình 5.5: Dạng điện áp chân Hình 5.5 dạng điện áp chân 2-6, chân chân khoảng thời gian điện áp tăng thời gian tụ nạp, khoảng thời gian điện áp giảm thời gian tụ xả Khi khảo sát dạng điện áp chân cần lưu ý mở điện tụ C nạp điện từ 0V lên đến 2/3VCC xả xả đến 1/3VCC , đó, lần nạp sau tụ Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 27 nạp từ 1/3 đến 2/3VCC Để tính chu kỳ tín hiệu người ta tính lần nạp sau không xét lần nạp Khi tụ nạp, chân có điện áp cao chân 2-6, tụ xả chân giảm nhanh xuống 0V (do I2 IC chạy bão hòa) không giảm theo hàm số mũ tụ C 5.4.3 Mạch phi ổn đối xứng Trong mạch phi ổn, thời gian nạp thời gian xả tụ không nên dạng điện áp vuông ngõ không đối xứng Ta có: tnạp = 0,69(RA + RB)C txả = 0,69 RB C Để cho dạng sóng vng ngõ đối xứng người ta thực nhiều cách Cách thứ 1: Chọn điện trở RA trị số nhỏ so với RB, lúc sai số tnạp txả không đáng kể Điều khó thực làm việc tần số cao Điện trở R A có trị số tối thiểu khoảng vài k RB phải có trị số lớn khoảng vài trăm k Với trị số điện trở tần số dao động khơng thể cao Cách thứ 2: Dùng diod D ghép song song RB theo chiều hướng xuống (hình 7.5a) Khi có diod D, thời gian tụ C nạp làm diod D phân cực thuận có điện trở nhỏ nên coi nối tắt RB Thời gian nạp điện tụ C tính theo cơng thức: tnạp  0,69RA.C Khi tụ C xả điện diod phân cực ngược nên tụ xả điện qua RB Thời gian xả điện tụ tính theo cơng thức: txả  0,69RB.C Nếu chọn RA = RB mạch tạo tín hiệu hình vng đối xứng +VCC INạp RA RB IXả 555 R1 C 0.01 Hình 5.6a Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 28 +VCC INạp RA RB DA IXả DB 555 R1 0.01 C Hình 5.6b Thật mạch điện hình 5.6a, tụ nạp dòng điện phải qua RA điện trở thuận diod nên thời gian nạp lớn thời gian xả Để cho tín hiệu thật đối xứng ghép thêm diod nối tiếp với điện trở RB hình 7.5b Như vậy, hai trường hợp nạp xả có diod Điều kiện hai mạch RB phải có trị số lớn so với điện trở thuận diod 5.4.4 Mạch phi ổn điều chỉnh tần số chu trình làm việc Hai yêu cầu thường có thiết kế mạch đa hài phi ổn: - Thay đổi tần số f mà giữ nguyên chu trình làm việc (đối xứng); - Thay đổi chu trình làm việc mà giữ nguyên tần số f Để thay đổi tín hiệu hình vng mà có tín hiệu đối xứng hai điện trở RA RB phải điều chỉnh cho tăng hay giảm trị số Lúc mạch điện có hai điện trở VRA VRB ghép nối tiếp sơ đồ hình 7.6a +VCC RA VRA RB DA VRB 555 DB C V0 0.01 Hình 5.7a: VRA - VRB chung trục, chỉnh đồng hướng - Mạch thay đổi tần số Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 29 +VCC RA VRA DA RB VRB 555 DB C V0 0.01 Hình 5.7b: VRA - VRB chung trục, chỉnh ngược hướng - Mạch thay đổi chu trình Để thay đổi chu trình làm việc tức thay đổi tỉ lệ thời gian tín hiệu có điện áp cao thời gian tín hiệu có điện áp thấp (hay thời gian nạp thời gian xả tụ) giữ nguyên tần số nghĩa chu kỳ T số, hai điện trở RA RB phải điều chỉnh cho RA tăng RB giảm giá trị thay đổi Lúc đó, mạch có hai biến trở VRA VRB ghép nối tiếp sơ đồ 7.6b hai biến trở điều chỉnh ngược hướng 5.4.5 Mạch thiết kế Mạch tạo xung tần số cao thiết kế có sơ đồ chi tiết hình 5.8 Hình 5.8: Mạch tạo xung tần số cao chỉnh độ rộng xung thiết kế §5.5 MẠCH CÁCH LY Mạch cách ly dùng đề tài Opto Coupler MOC3020 Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 30 Các hệ thống tự động điều khiển cơng suất lớn thường có điện áp cao khoảng 220V 380V (có trường hợp 660V hay 1000V), mạch điều khiển thường lại có điện áp thấp mạch logic, máy tính hay hệ thống phải tiếp xúc với người Để tạo cách điện mạch điều khiển mạch cơng suất có khác biệt lớn điện áp người ta chế tạo ghép quang 5.5.1 Cấu tạo - Nguyên lý Bộ ghép quang gồm có hai phần gọi sơ cấp thứ cấp, phần sơ cấp diod loại GaAs phát tia hồng ngoại, phần thứ cấp linh kiện quang điện tử (có thể quang transistor, quang SCR, quang triac…) Khi phân cực thuận, diod phát xạ hồng ngoại chiếu lên mạch nhận ánh sáng quang transistor Bộ ghép quang hoạt động theo nguyên lý: tín hiệu điện sơ cấp LED hồng ngoại (còn gọi phần phát) đổi thành tín hiệu ánh sáng Tín hiệu ánh sáng phần thứ cấp quang transistor (còn gọi phần nhận) đổi lại thành tín hiệu điện IF IC Hình 5.10a: Nguyên lý Hình 5.10b: Cấu tạo, cách chân 5.5.2 Đặc trưng kỹ thuật - Bộ ghép quang dùng để cách điện hai mạch điện có điện áp cách biệt lớn Điện áp cách điện sơ cấp thứ cấp thường từ vài trăm volt đến hàng ngàn volt; - Bộ ghép quang làm việc với dòng điện chiều hay tín hiệu điện xoay chiều có tần số cao; - Điện trở cách điện sơ cấp thứ cấp có trị số lớn thường khoảng vài chục đến vài trăm M dòng điện chiều; - Hệ số truyền đạt dòng điện (current transfer ratio) tỉ số phần trăm dòng điện thứ cấp IC với dòng điện vào sơ cấp IF Đây thông số quan trọng ghép quang thường có trị số từ vài chục phần trăm đến vài trăm phần trăm tùy loại ghép quang 5.5.3 Các loại ghép quang 1- Bộ ghép quang transistor (OPTO-transistor) Thứ cấp ghép quang photo transistor loại silic Đối với ghép quang transistor có bốn chân transistor khơng có cực B, trường hợp ghép quang transistor có sáu chân cực B nối ngồi hình 5.11 Bộ ghép quang khơng dùng cực B có lợi điểm hệ số truyền đạt lớn, nhiên, loại có nhược điểm độ ổn định nhiệt Nếu nối cực B E điện trở ghép quang transistor ghép quang làm việc ổn định với nhiệt độ, hệ số truyền đạt lại bị giảm 2- Bộ ghép quang Darlington - Transistor: Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V khơng biến áp Khoa Điện – Điện tử 31 Hình 5.11 : Quang Darlington transistor Bộ ghép quang với quang Darlington-transistor có nguyên lý ghép quang với quang transistor với hệ số truyền đạt lớn vài trăm lần nhờ tính khuếch đại mạch Darlington Bộ ghép quang loại có nhược điểm bị ảnh hưởng nhiệt độ lớn nên thường chế tạo có điện trở chân B E transistor sau để ổn định nhiệt 3- Bộ ghép quang Triac: (OPTO-Triac) OPTO-Triac có cấu trúc bán dẫn tương đương hình 5.12 T2 G Hình 5.12 : Ký hiệu mạch tương đương OPTO-Triac T1 §5.6 MẠCH CƠNG SUẤT Để mạch cơng suất làm việc với tín hiệu điều khiển tần số cao, linh kiện điện tử công suất chọn MOSFET kênh N kênh P bổ phụ 5.6.1 Sơ đồ mạch công suất bổ phụ Hình 5.13: Mạch cơng suất bổ phụ dùng MOSFET Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 32 Hai MOSFET nhận xung kích tần số cao từ IC 555 qua Opto cách ly Hai MOSFET luân phiên dẫn điện hai bán kỳ để cấp điện cho tải §5.7 SƠ ĐỒ TỒN MẠCH ĐỔI ĐIỆN 220V/110V KHƠNG BIẾN ÁP 5.7.1 Sơ đồ ngun lý Hình 5.13: Sơ đồ tồn mạch đổi điện 220V/110V khơng biến áp 5.7.2 Dạng sóng cấp cho tải Hình 5.14: Dạng sóng tải đo dao động ký tương tự Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 33 Hình 5.15: Dạng sóng tải đo dao động ký số 5.7.3 Xét hiệu suất mạch: 1- Đối với máy biến áp: Đối với máy biến áp, tùy thuộc cơng suất máy biến áp, tính chất tải, chất lượng lõi thép, tỉ lệ công suất tải công suất máy biến áp mà có hiệu suất sử dụng khác Thí dụ: chất lượng lõi thép có hiệu suất thấp, tỉ lệ công suất tải công suất máy biến áp nhỏ hiệu suất thấp, tải cảm tải dung hiệu suất thấp Thường máy biến áp có hiệu suất từ 65% đến 80% 2- Đối với đổi điện không biến áp: Transistor MOSFET bão hòa có mức điện áp VDSsat = 1V ± 2V Khi bão hòa dòng điện ID = A nên transistor không tiêu thụ điện Điện áp hiệu dụng nguồn điện US = 220V Dựa vào điện áp VDssat US tính hiệu suất mạch là:  V DSsat 218 100%  100%  99% US 220 Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 34 KẾT LUẬN 1- Vấn đề kỹ thuật thực tế Từ năm cuối kỷ thứ 20, “Kỹ thuật điện tử công suất” phát triển làm thay đổi nhiều quan điểm thiết kế thiết bị điện dân dụng công nghiệp với linh kiện điện tử cơng suất có dòng điện lớn điện áp chịu đựng cao SCR, Triac, MOSFET IJBT … Trong thập niên đầu kỷ 21, lý thuyết “Điện tử công suất kỹ thuật số” nghiên cứu bước ứng dụng sản xuất đời sống Nhiều thiết bị cải tiến theo hướng sử dụng kỹ thuật số để điều khiển dần bỏ thiết bị điện tử (với lõi thép, cuộn dây đồng …) nặng nề cồng kềnh, hiệu suất thấp đắt tiền 2- Hướng phát triển Ứng dụng Việc ứng dụng kiến thức Điện tử công suất kỹ thuật số, biến áp pha loại bỏ để giảm giá thành, tăng hiệu suất, tăng tuổi thọ Trong tương lai gần, biến áp pha loại công suất nhỏ điều khiển loại bỏ với nghiên cứu khoa học phù hợp Đề tài trình bày báo cáo ứng dụng làm Bộ đổi điện 220/110V -10A phục vụ dân dụng phòng TN/TH trường Cao đẳng, Đại học kỹ thuật Điện – Điện tử, đặc biệt khoa Điện – Điện tử trường Đại học Nguyễn Tất Thành Nhóm tác giả nghiên cứu Phạm Trọng Lễ Đề tài Bộ đổi điện 220V/110V không biến áp Nguyễn Phước Tường Vân Khoa Điện – Điện tử ... số điều chế m thay đổi từ đến Đề tài Bộ đổi điện 220V/ 110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử 23 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐỔI ĐIỆN 220V/ 110V KHÔNG BIẾN ÁP DÙNG KỸ THUẬT XUNG §5.1 SƠ ĐỒ KHỐI 220V 50Hz... Bộ đổi điện 220V/ 110V không biến áp Khoa Điện – Điện tử §1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT 1.4.1 Điện áp định mức: - Điện áp sơ cấp định mức: U1đm (V, kV) điện áp nguồn cung cấp vào cuộn sơ cấp; - Điện áp. .. đẳng đào tạo ngành kỹ thuật điện, điện tử thường dùng đổi điện 220V lưới điện thành 110V cung cấp cho mạch điều khiển hay thiết bị điện có điện áp 110V 2- Các biến đổi có: Các biến đổi điện áp thị