Trường đại học hàng hải Khoa điện – điện tử tàu biển THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài: bài số 14 Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha Nguồn cấp:Uv=12VDC Nguồn ra:Ur=220VAC Công suất:500VA Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Văn Tuân Sinh viên:Phạm Minh Nghĩa Hải phòng ,năm 2012 1 Đề cương sơ bộ Chương 1: Tổng quan về công nghệ nghịch lưu 1 pha. 1.1 .Tổng quan về công nghệ. 1.2. Yêu cầu của công nghệ. 1.3 . Phạm vi ứng dụng . Chương 2: Tính chọn mạch công suất. 2.1. Các mạch công suất . Mạch nghịch lưu dùng tranzitor công suất 2n3055 Mạch nghịch lưu 1 pha dùng mosfet Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài .Điện áp đầu ra của 4047 là 11V ở mức cao và 0.05 V ở mức thấp. 2.2. Ưu nhược điểm của mạch +Với mạch nghịch lưu áp thấp -Ưu điểm -Nhược điểm 2.3 . Mạch nghịch lưu điện áp thấp Điện áp vào 12VDC ,điện áp ra 220VAC, công suất 500W 2.4. Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch 2.5 . Tính chọn các phần tử bảo vệ 2.6 .Tính chọn máy biến áp Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển 3.1.Trình bày sơ đồ cấu trúc tổng quát Sơ đồ gồm có: Tranzitor IRF3025 IC 3525 Điện trở Tụ điện . 3.2. Các khâu điều khiển Khâu tạo xung Khâu khuếch đại Khâu biến áp 3.3. Tính toán các khâu điều khiển 2 3.4. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh Tài liệu tham khảo : Giáo trình điện tử công suất (Trần Trọng Minh); Giáo trình điện tử công suất (Nguyễn Bính); Giáo viên huớng dẫn : Sinh viên: Thầy: Đoàn Văn Tuân Phạm Minh Nghĩa 3 Nhận xét của giáo viên huớng dẫn: 4 Tên đề tài Thiết kế mạch nghịch luư 1 pha Chuơng 1: Tổng quan về công nghệ nghịch lưu . 1.1. Tổng quan về công nghệ Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt các dòng điện mà không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ, nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn 5 có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hoá. Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của truyền động điện nó đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, những ứng dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ và đặc biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp. Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và Schockly tại phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm 1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor công suất ra đời. Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển. Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt) với dòng điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn. 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. 6 -Theo số pha: Một pha Ba pha Nhiều pha. -Theo sơ đồ : Hình tia Hình cầu. - 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 α của các tiristo thoả mãn điều kiện (π/2 < α <π ) 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. 7 - Nghịch lưu độc lập cộng hưởng. 1.2. Yêu cầu của công nghệ 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. phạm vi ứng dụng. Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện tự động, Giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đó có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất 2.1: Một số phương án mạch công suất 8 a.Phương án 1: Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công suất T 1 và T 2 dao động đa hài phát ra tín hiệu đóng. Hai Transistor T 1 và T 2 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. 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. c.phương án 3 9 -Dùng ic 3525 và tranzitor irf3205 - tranzitor irf 3205 sẽ đóng cắt dòng điện theo xung nhịp của ic 3525 phát ra. 2.2: Tính toán các van bán dẫn công suất a. Tranzitor irf 3205 hình dạng: ký hiệu 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. Datasheet: 10 [...]... Áp dụng tỉ số máy biến áp U I U 1 I2 = ⇒ I1 = 2 2 U1 U2 I1 Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V ) I1 = 24.47(A) Công suất máy biến áp cần chọn: P1 = U1 I1 = 24 *24.47 = 587.4 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 600W với I = 25A -Thiết diện máy biến áp Thiết diện có ích S của lõi thép, tính bằng cm2: bằng thiết diện vật lý (dài * rộng) nhân với hệ số ghép S=a*b*k... = 500VA 12 Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2*U 11 = 2 .12 = 24( V ) Công suất của máy biến áp: P = η *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 η là hiệu suất máy biến áp Chọn η = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp P I2 = η U 2 = 2.67(A) Áp dụng tỉ số máy biến áp U I U 1 I2 = ⇒ I1 =.. .11 Hình dạng thực tế của mosfet irf 3205 b Tính toán máy biến áp i2 k2 n 11 - u i1 = + n2 u2 zt n12 k1 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp Ta lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì nguồn 12 v từ acquy sẽ vào trực tiếp điểm giữa của máy biến áp Và mạch nghịch lưu sử dụng ic tạo xung vuông 2 nửa chu kỳ do đó máy biến áp phải là điểm giữa để đối xứng tín hiệu phát ra từ ic Máy biến áp có các thông số: U 11 = 12 V,... với hệ số ghép S=a*b*k K từ 0,85 đến 0,95, tùy chất lượng lõi thép Công suất máy biến áp : S =1, 2√ P (căn) suy ra P=S^2 /1. 44 (S bình chia 1, 44) 13 vậy để công suất tầm 500W trở lên thì lõi sẽ là S =1, 2 x sprt(500)=26,83(cm2) Chiều dài , chiều rộng của lõi sẽ là , 3,5 cm và 7,7 cm - Thiết diện dây quấn Thiết diện dây sơ cấp: Asc = 2,5/I1 (2,5 là mật độ dòng điện) Đường kính dây sơ cấp: Asc=π dsc^2/4 (n... chúng ta thì : Thiết diện Asc = 2,5/2.67=0.93 Đường kính của dây là: sprt((4 x 0.93)/3 ,14 )= 1. 08 cm ở đây chúng ta chọn dây 11 mm hay 11 li Thiết diện dây thứ cấp: Atc = 2,5/I2 Đường kính dây thứ cấp: Atc=π dtc^2/4 Atc=2.5/24.47=0 .10 2 Dtc= √ (4Atc/π) Dtc=sqrt(4*0 .10 2)/3 .14 =0.36cm suy ra d=3.6(mm) * Tính toán tản nhiệt - Theo datasheet của hãng chế tạo IRF3025 ta biết nhiệt độ TJmax = 15 0C RJV = 0.5(0C/... ra,và được lọc bằng tụ điện 21 Hai điện thế ở ngõ ra đượ hồi tiếp về chân 1 và 2 Hai chân này sẽ điều chỉnh độ tắt mở xung phát ra PWM Xung này sẽ điều khiển đóng mở cho MOSFET qua 2 đầu ra 11 và 14 Xung ra ỏ chân 11 và chân 14 seư thay đổi nhờ chân 1 và 2 Khi dòng tải tăng làm cho điện thế ngõ ra giảm ,tín hiệu hồi tiếp giảm ,mạch điều xung sẽ tăng thời gian bật làm MOSFET công suất bật lâu hơn ,làm tăng... 11 : phát xung nửa chu kỳ đầu chân 12 :nối đất chân 13 : cấp dương chân 14 : phát xung nửa chu kỳ còn lại chân 15 :nối dương chân16 : nguồn duơng Datasheet 19 20 Sơ đố khối Chế độ hoạt động Mạch ổn áp xung hoat động theo 2 nguyên tắc: một là điều xung PWM với tần số cố định ,hai là điều tần với xung vuông Xung này được đưa từ bộ phát xung vào chân gate cua MOSFET công suất ,điều dòng bật tắt qua cuộn cảm... đồ chân của ic 17 Chức năng của các chân: chân 1: chân đưa tín hiệu vào của hồi tiếp chân 2: chân nhận tín hiệu hồi tiếp chân 3:dùng để kết hợp với các xung khác cho đồng bộ chân 4: tín hiệu ra osc ( không dùng) chân 5: định tần số của xung pwm chân 6: định tần số dao động chân 7: chân xả 18 chân 8: nối với tụ để làm khởi động êm chân 9: chân bù chân 10 : bật tắt hoạt động của chíp chân 11 : phát xung... dòng điện làm việc được xác định ICC = K.I = 1, 5* 2.67= 4.005 (A) Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2.67A ; điện áp 250V loại cắt nhanh Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển mạch điều khiển 3 .1. Sơ đồ khối mạch điều khiển 15 3.2 .1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : Nhiệm vụ Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển mở bằng xung và khoá bằng xung nên... = 15 0C RJV = 0.5(0C/ W) RJV (kháng nhiệt) Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 40C Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là 14 Tr = Tj – RJV ∆P Trong đó Theo datasheet của hãng chế tạo IRF3205 ta biết được tổn hao cực đại là 50W Tr = Tj – RJV ∆P = 15 0 – 0.5*50 = 12 5(0C) ⇒ Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường là : τ = 12 5 − 40 = 85 ( 0 C ) ∆ P Diện tích bề mặt tản nhiệt . tử tàu biển THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài: bài số 14 Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha Nguồn cấp:Uv =12 VDC Nguồn. ra:Ur=220VAC Công suất: 500VA Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Văn Tuân Sinh viên:Phạm Minh Nghĩa Hải phòng ,năm 2 012 1 Đề cương sơ bộ Chương 1: Tổng quan về công nghệ nghịch lưu 1 pha. 1. 1 .Tổng. về công nghệ. 1. 2. Yêu cầu của công nghệ. 1. 3 . Phạm vi ứng dụng . Chương 2: Tính chọn mạch công suất. 2 .1. Các mạch công suất . Mạch nghịch lưu dùng tranzitor công suất 2n3055 Mạch nghịch