thiết kế chế tạo và vận hành mô hình cây điện gió sử dụng bộ vi điều khiển stm32

Ngày nay điệnbằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, côngnghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điệnbằng sức gió hiện nay thấ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ-KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌCTÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế , chế tạo và vận hành mô hình cây điện gió sử dụngbộ vi điều khiển STM32

Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật điều khiển và tự đông hóaMã số ngành: 7510303

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Văn Đạt

Người hướng dẫn đồ ánTh.S Thân Thị Thương

HÀ NỘI - 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ 4

1.1 Tổng quan 4

1.1.1 Khái niệm năng lượng gió 4

1.1.2 Sự hình thành năng lượng gió 5

1.1.3 Lịch sử phát triển của năng lượng gió 5

1.1.4 Ứng dụng thực tiễn của năng lượng gió 6

1.1.5 Ứng dụng và nhược điểm 7

1.2 Các phương pháp điều khiển và sử dụng cho hệ thống điện gió 9

1.2.1 Nguyên lý làm việc của tuabin gió 9

1.2.2 Phương pháp chuyển đổi năng lượng 9

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP 11

2.1 Giới thiệu thiết bị chuyển đổi điện áp 11

2.2 Chuyển đổi DC - DC 11

2.2.1 Băm xung một chiều nối tiếp 11

2.2.2 Băm xung một chiều song song 12

2.2.3 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp-song song(Buck-Boost) 14

2.3 Chuyển đổi DC - AC 15

2.3.1 Tổng quan về hệ thống INVERTER 15

2.3.2 Tổng quan về hệ thống nghịch lưu 15

2.3.2.1 Nghịch lưu phụ thuộc 15

2.3.2.2 Nghịch lưu độc lập 15

2.3.2.3 Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp 16

2.3.3 Các loại nghịch lưu có trên thị trường 17

2.3.3.1 Nghịch lưu sóng vuông 17

2.3.3.2 Nghịch lưu xung vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra 19

2.3.3.3 Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều 20

2.4 Chuyển đổi AC - AC 23

CHƯƠNG III : BỘ BIẾN ĐỔI DC - AC TỪ 12V LÊN 220V 24

3.1 Các đặc điểm chung 24

3.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC - AC 1 pha 25

3.2.1 Nguyên lý 25

3.2.2 Giản đồ điện áp 25

3.5 Mô phỏng bộ biến đổi trên Psim 26

CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU TỪ 12VDC SANG 22VAC/500W 28

4.1 Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu 28

4.3 Thiết kế và thi công 45

4.3.1 Sơ đồ và mạch nguyên lý, mạch in của khối trong mạch 45

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các hiệu ứng dụng của khoa học kỹthuật trong công nghiệp,đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điệntử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều và đặc biệt các ứng dụngcủa nó vào ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được pháttriển hết sức mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của côngnghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưunhất.Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa của Nhà nước, cácnhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điềukhiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiểnan toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành tự động hóa cần phải giải quyết Với vấn đề Đồ án đưa ra chúng ta cần biết rõ về thiết kế, chế tạo, vận hành môhình cây điện gió và cũng như lí do thiết thực để thực hiện nó để được đưa vào sửdụng hợp lí Một trong những lí do chính vì năng lượng gió rất dồi dào có khảnăng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môitrường.Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồnnăng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng gió Nhằm mục đích xây dựng mộtmạng lưới điện thông minh, đảm bảo yêu cầu: phụ tải sử dụng năng lượng sạch,nếu thừa sẽ phát lên điện lưới, nếu thiếu sẽ sử dụng năng lượng từ lưới Hệ thốngmáy phát điện sức gió lợi dụng gió để làm quay tuabin máy phát tạo ra điện đangđược ứng dụng nhiều trong thực tế.

Đồ án này hoàn thành không những giúp em được thêm nhiều kiến thức hơn vềmôn học mà còn giúp em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủđộng hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là sự quan trọng của phương pháp làm việctheo nhóm.Quá trình thực hiện đồ án là thời gian thực sự bổ ích cho bản thân emvề nhiều mặt.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ1.1 TỔNG QUAN

NĂNG LƯỢNG GIÓ – NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH ĐẦY TIỀMNĂNG

- Đứng trước thực tế nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao nhưng nhữngnguồn năng lượng hóa thạch như dầu, khí đốt, than,… đang ngày càng trở nênkhan hiếm cũng như gây ra những tác hại khôn lường cho môi trường, chúngta cần tìm ra những dạng năng lượng mới để thay thế cho chúng Một trongnhững nguồn năng lượng triển vọng, đang trong những bước khai thác và sửdụng có thể kể đến là năng lượng gió.

- Năng lượng gió hiện nay là một trong những dạng năng lượng phát triểnnhanh nhất trên thế giới cũng như có tiềm năng lớn tại Việt Nam Trong bàiviết sau đây, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về năng lượng gió, cách thứcchúng hoạt động cũng như ưu nhược điểm của loại năng lượng này.

1.1.1 Khái niệm năng lượng gió

- Năng lượng gió là một loại năng lượng được sử dụng từ rất lâu đời Từ xa xưaông cha ta đã biết dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm trên biển.

- Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyểnTrái Đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặttrời.Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưanhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời Cổ Đại.

- Bởi sự ảnh hưởng không đồng đều của nhiệt độ mặt trời vào bầu khí quyểnlàm cho không khí giữa vùng này và vùng khác bị chênh lệch về áp suất dovậy sinh ra sự chuyển động không khí từ vùng có áp suất cao đến vùngkhông khí có áp suất thấp và sự chuyển động đó được gọi là gió Chúng tađều biết sự chuyển động của gió tạo ra một lực cơ học và nó ở dạng lựcmặt do vậy nó cũng có chiều có hướng và có độ lớn cũng có nghĩa là cónăng lượng ở dạng cơ năng nên từ xa xưa con người đã biết lợi dụng sứcgió để ứng dụng vào cuộc sống (cối xay gió, thuyền buồm, ) nhưng đấy lànhững ứng dụng đơn giản còn trong thời đại hiện nay có sự nghiên cứu vàđã được ứng dụng rộng rãi, năng lượng gió được chuyển sang điện năng1.1.2 Sự hình thành năng lượng gió

- Do sự chênh lệch nhiệt độ, áp suất khác biệt giữa xích đạo và các cực:Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầukhí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của TráiĐất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời vàthêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở cáccực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất màkhông khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày vàmặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng gópphần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (sovới mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nêncũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.

- Do sự quay của Trái Đất: Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạothành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp caođến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáycó chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũtrụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngượcvới chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ.Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại - Ngoài các yếu tố có tínhtoàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Donước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơnnước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vàođất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảyra theo chiều ngược lại.

1.1.3 Lịch sử phát triển của năng lượng gió

- Con người đã sử dụng năng lượng gió từ hàng ngàn năm trước, khi con ngườilần đầu tiên nhận ra sức mạnh của gió và sử dụng nó để nghiền ngũ cốc hoặcđẩy thuyền.

- Cối xay gió được người Hồi giáo phát minh năm 634, dùng để xay bắp vàthoát nước Vào mùa khô, chỉ có một nguồn sức đẩy duy nhất là gió, thổi ổnđịnh theo một hướng trong nhiều tháng Cối xay gió có 6 – 12 cánh quạtđược phủ vải hay cánh cọ Nó có trước cối xay đầu tiên ở châu u 500 năm.

- Vào những năm 1920 và 1926, Albert Betz, một nhà khoa học Đức, đã thựchiện nghiên cứu và tính toán hiệu suất tuabin gió tối đa Kết quả của ông đãdẫn đến việc thiết lập một giới hạn về tỷ lệ hiệu suất của cách quạt và hìnhdạng tối ưu của chúng Giới hạn này được gọi là "Betz giới hạn" và vẫnđược sử dụng trong thiết kế tuabin gió hiện đại.

- Năm 1950, Giáo sư Ulrich Hutter đã áp dụng cơ học hiện đại và công nghệsợi quang tiên tiến để xây dựng cánh quạt tuabin gió trong hệ thống thửnghiệm của mình Điều này đã cải thiện hiệu suất và hiệu quả của turbinegió và đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng gió - Poul la Cour, một nhà nghiên cứu Đan Mạch, đã phát triển một loại tua-bin

gió phát điện trực tiếp.

- Năm 1958, một học sinh tên là Johannes Juul đã phát triển khái niệm chophép dòng điện xoay chiều từ tuabin gió có thể được nối vào lưới điện cholần đầu tiên Điều này đã mở ra cánh cửa cho việc sử dụng năng lượng giótrên quy mô lớn và tích hợp vào hệ thống điện lưới, bước đột phá quan trọngtrong ngành năng lượng gió.

1.1.4 Ứng dụng thực tiễn của năng lượng gió

- Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay Con người đã dùngnăng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra nănglượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió ýtưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phátminh ra điện và máy phát điện.

- Góp phần bảo vệ môi trường Gió là nguồn năng lượng tự nhiên và vĩnh cửunên bạn sẽ không cần phải sử dụng các loại máy móc để khai thác gây ônhiễm môi trường.

- Tiết kiệm tiền điện Do đó là nguồn tài nguyên sẵn có nên bạn không cần tốnchi phí để sản xuất điện Nhìn chung, việc xây dựng một tuabin gió vẫn rẻ hơnrất nhiều so với việc xây dựng một nhà máy nhiệt điện.

- Giảm sự phụ thuộc vào thủy điện Việt Nam là một trong những nước vẫn cònphụ thuộc vào thủy điện Vào những mùa hạn hán không đủ nước thủy điện thìmột số nhà máy thủy điện lựa chọn phương án trữ nước vào mùa nóng và xảvào mùa mưa gây nên lũ lụt hoặc hạn hán Do đó, sử dụng năng lượng gió sẽgóp phần giúp người dân giảm bớt sự phụ thuộc vào thủy điện.

- Tạo thêm thu nhập cho người dân Khi năng lượng gió phát triển, người dân sẽcó thêm thu nhập từ việc thuê đất để lắp điện tuabin gió Giúp người dân sửdụng được

- lưới điện giá rẻ, tiết kiệm chi phí mà còn có thêm được nguồn thu nhập thụđộng cho bản thân.

- Trên thực tế, tốc độ tăng trưởng của sản lượng điện ở nước Việt Nam trongkhoảng 20 năm gần đây đạt mức rất cao lên đến 12 – 13% mỗi năm, đây là

mức tăng trưởng gấp đôi so với tốc độ tăng trưởng GDP của nền kinh tế Nướcta đang rơi vào tình trạng thiếu hụt điện và cần phải có những biện pháp giảiquyết phù hợp.

1.1.5 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm

- -Năng lượng gió là nguồn năng lượng sạch: ưu điểm dễ thấy nhất của điệnbằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ở nhiễm môi trườngnhư các nhà máy điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng, khác hắnvới các nhà máy thủy điện chỉ có thể xây dựng gần dòng nước mạnh vớinhững điều kiện đặc biệt và cẩn diện tích rất lớn cho hồ chứa nước CácTua-bin gió sau khi đã hết tuổi thọ hoạt động có thể tái chế đến 80%.- -Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ

tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Ngày nay điệnbằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, côngnghệ lắp ráp đã hoàn thiện nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điệnbằng sức gió hiện nay thấp và thời gian chỉ khoảng 1 - 2 năm.Một hệ thốngđiện gió có thể hoạt động bền bỉ trong hơn 20 năm với mức phí duy trìkhông đáng kể.

- -Năng lượng gió độc lập: chúng ta biết gió là nguồn năng lượng vô tận vàkhông thuộc quyền quản lý của một tổ chức nào, mọi người dân, tổ chức đềucó quyền sử dụng năng lượng gió.

- -Tiềm năng trong nước tốt: Tuabin gió giúp tiết kiệm năng lượng và lànguồn điện dự phòng khi có các sự cố mất điện.

-Nhược điểm

- Đe dọa động vật hoang dã: Khi lắp đặt tuabin gió con người sẽ phải đối mặtvới nguy cơ về mất an toàn cho các loài động vật Các loài chim hay các sinhvật khác có thể bay vào khu vực khi các tuabin đang hoạt động Do đó chúngrất dễ bị tai nạn, đặc biệt quá trình hoạt động của tuabin còn ảnh hưởng đếnmôi trường sống tự nhiên của động vật.

-

- Chi phí đầu tư điện gió cao: Để có một hệ thống năng lượng điện gió vậnhành trơn tru ổn định thì chúng ta phải xây dựng một dây chuyền công nghệcao, tiến tiến bậc nhất Do đó mức chi phí lắp đặt cho toàn bộ hệ thống làkhông hề rẻ

- Ô nhiễm tiếng ồn:Hoạt động của tuabin gió có thể tạo ra tiếng ồn, ảnh hưởngđến cuộc sống của người dân xung quanh Tiếng ồn này có thể gây phiền hàvà ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, đặc biệt là ở những khu vực gần cáctrạm phát điện gió.

- Tuy nhiên, những thách thức này đang được nghiên cứu và giải quyết bằngcách cải tiến công nghệ và quản lý dự án năng lượng gió, nhằm tận dụng đượclợi ích của nguồn năng lượng sạch và bền vững này trong tương lai.

- Bị hạn chế về vị trí lắp đặt:Năng lượng gió chỉ thích hợp ở các vị trí có tốcđộ gió cao Do đó khi xây dựng, chúng ta phải đã tính toán và thiết lập kỹlưỡng Thông thường những nơi thích hợp đó là vùng sâu vùng xa.

1.2 Các phương pháp điều khiển sử dụng cho hệ thống điện gió1.2.1 Nguyên lí làm việc của tua bin gió

Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản Năng lượngcủa gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor Mà rotor đượcnối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máyphát để tạo ra điện.

1.2.2 phương pháp chuyển đổi năng lượng

o Có hai loại chức năng chuyển đổi năng lượng có ý nghĩa đặc biệt đốivới năng lượng lai:hệ thống: chỉnh lưu và đảo ngược Chỉnh lưuthường được sử dụng để sạcpin từ nguồn AC Biến tần được sử dụng

để cung cấp tải AC từ nguồn DC, chẳng hạn nhưpin và tấm quangđiện

- biến tần

- sử dụng bộ chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu là thiết bị chuyển đổi AC thành DC.Loạibộ chỉnh lưu đơn giản nhất sử dụng mạch cầu diode để chuyển đổi AC thànhdao động

o Để chuyển đổi DC thành AC, từ pin hoặc từ AC được chỉnh lưu trongtuabin gió có tốc độ thay đổi, cần phải sử dụng bộ chuyển đổi DC Vềmặt lịch sử, các bộ máy phát điện động cơ đã được sử dụng để chuyểnđổi DC thành AC.DC Trong bộ chỉnh lưu này, đầu vào là nguồn điệnxoay chiều ba pha; đầu ra là DC.

- Dưới đây là một số cách vi điều khiển có thể được sử dụng trong hệ thốngnăng lượng gió: Đọc dữ liệu từ cảm biến: Vi điều khiển có thể đọc dữ liệu từcác cảm biến như cảm biến tốc độ gió, cảm biến hướng gió, cảm biến nhiệtđộ, cảm biến rung động và cảm biến điện áp/tần số

- Điều khiển cánh tuabin: Dựa vào dữ liệu từ cảm biến, vi điều khiển có thể ralệnh điều chỉnh góc của cánh tuabin (pitch control) để tối ưu hóa việc thunăng lượng Điều khiển hướng tuabin: Vi điều khiển có thể điều chỉnhhướng của toàn bộ tuabin gió (yaw control) để đối diện với hướng gió Bảovệ tuabin: Khi gió quá mạnh hoặc các dấu hiệu cảnh báo từ cảm biến, viđiều khiển có thể tắt tuabin hoặc thực hiện các hành động khác để bảo vệtuabin khỏi hỏng hóc

- Giao tiếp với hệ thống giám sát: Vi điều khiển có thể gửi dữ liệu về trạngthái hoạt động, cảnh báo hoặc lỗi của tuabin đến hệ thống giám sát tập trung.Điều khiển bộ chuyển đổi năng lượng: Để tối ưu hóa việc truyền tải điện và

tích hợp với lưới điện, vi điều khiển có thể điều chỉnh các bộ chuyển đổinăng lượng như inverter.

- vi điều khiển giúp tự động hóa và tối ưu hóa quá trình hoạt động của tuabingió, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng hiệu quả trong việc sảnxuất điện từ năng lượng gió Đồng thời, nó cũng giúp trong việc bảo vệ vàduy trì tuabin, làm gia tăng tuổi thọ và giảm thiểu chi phí bảo dưỡng.

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP

2.1 Giới thiệu thiết bị chuyển đổi điện áp

Thiết bị chuyển đổi điện áp là một thiết bị biến năng Nó cho phếp chuyển đổinăng lượng điện dưới các mức điện áp khác nhau với biên độ và tần số theo yêucầu - Các phương pháp chuyển đổi điện áp thông dụng hiện nay:

+) Chuyển đổi DC – DC+) Chuyển đổi DC – AC+) Chuyển đổi AC – AC2.2 Chuyển đổi DC – DC

Bộ chuyển đổi DC-DC là một loại bộ chuyển đổi điện áp được sử dụng để chuyểnđổi điện áp từ nguồn DC vào thành một mức điện áp DC khác Nguyên lý hoạtđộng của bộ chuyển đổi DC-DC dựa trên sự sử dụng các thành phần điện tử nhưtransistor, điốt, tụ điện, cuộn cảm và các mạch điều khiển để điều chỉnh đầu ra điệnáp Bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như nguồnđiện cho các thiết bị di động, hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống điện tửcông nghiệp.

2.2.1 Băm xung một chiều nối tiếp

Băm xung một chiều nối tiếp hay còn gọi là “Buck chopper” (băm xung giảm áp) Sơ đồ loại này thể hiện như trên hình 2.1 Quy luật điều khiển van Tr hoàn toànnhư

nguyên lý chung đã xét, tuy nhiên quá trình năng lượng xảy ra như sau:

+) Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽđược cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: Ut=E, vì dòng điện từ nguồn i1phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ nạp năng lượng trong giai đoạn vanTr dẫn.

+) Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa, điện cảm Lphóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ vàchảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -Ud ~ 0.

2.3 Chuyển đổi DC - AC

2.3.1 Tổng quan về hệ thống INVERTER

Inverter là thiết bị chuyển điện có thể điều chỉnh các thông số điện như hiệuđiện thế, cường độ dòng điện và tần số của đầu ra so với đầu vào Nhằm tiết kiệmnăng lượng và thuận tiện cho việc sử dụng các thiết bị điện trong công nghiệp vàtrong sinh hoạt cuộc sống Những ứng dụng của công nghệ INVERTER là: BiếnTần, Nghịch lưu.

2.3.2 Tổng quan về hệ thống nghịch lưu

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượngxoay chiều với điện áp và tần số ngõ ra có thể thay đổi cung cấp cho tải soaychiều.

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 lậpnhư ác quy, máy phát một chiều )

2.3.2.1 Nghịch lưu phụ thuộc

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 đượcđổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở của các tiristo thoả mãn điều kiện ( /2 < < ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay Tần số vàđiện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều.

- Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thànhnăng lượng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chínhlà tần số không thể thay đổi của lưới điện Hơn nữa sự hoạt động của chỉnh lưu nàyphải được xác định theo tần số và pha của lưới xoay chiều đó

- Nghịch lưu độc lập hoạt động độc với tần số ra do mạch điều khiển quyếtđịnh và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện

Nghịch lưu độc lập được phân thành ba loại:

NLĐL điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện xoaychiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải là cho phép, còn trạng tháingắn mạch tải là sự cố

2 NLĐL dòng điện, cho phép biến nguồn dòng một chiều thành nguồn dòng điệnxoay chiều

3 NLĐL cộng hưởng, có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành mộtmạch vòngdao động cộng hưởng RLC

Tải của NLĐL là thiết bị điện xoay chiều có thể là một pha hay ba pha, do đó NLĐL cũng được chế tạo hai dạng NLĐL một pha và NLĐL ba pha Van bán dẫn sử dụng trong NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu:

- Với NLĐL điện áp, van hoạt động dưới tác động của sức điện động một chiều E,điều này tương tự như van trong băm xung một chiều, vì vậy thích hợp phải là vanđiều khiển hoàn toàn: các loại transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTO

- Với NLĐL dòng điện và NLĐL cộng hưởng, do tính chất mạch cho phép ứng dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường được dùng.

2.3.2.3 Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp

1) Nghịch lưu nguồn dòng:

Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở ngõ vào, làm cho tổng trở củamạch nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng Hình 3.4 trình bầy sơ đồnguyên lý và mạch tương đương của nghịch lưu nguồn dòng một pha RL Dòngnguồn i phẳng, không đổi ở một giá trị tải, được dóng cắt thành dòng AC cungN

cấp cho tải S1, S4 đóng: i > 0; S2, S3 đóng: i < 0 Vậy tải nhận được dòng điện00

AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải

Hình 3.4 sơ đồ nguyên lý và mạch tương đươngCủa nghich lưu nguồn dòng

2) Nghịch lưu nguồn áp:

Đặc trưng của nghịch lưu nguồn áp là có tổng trở trong bằng không đểcó thể cung cấp hay nhận dòng tải Một đặc trưng khác là ngắt điện luôn códiode song song ngược để năng lượng từ tải có thể tự do trả về nguồn thể hiệnhình 3.5

Áp nguồn một chiều được đóng cắt thành những xung áp hình vuông cóbiên độ chính xác đển cung cấp cho tải.

2.3.3 Các loại nghịch lưu có trên thị trường

2.3.3.1 Nghịch lưu sóng vuông

Là loại biến đổi DC-AC đơn giản nhất Tín hiệu điều khiển khối công suất ởdạng xung vuông Điện áp AC thu được ở đầu ra nhờ việc đảo pha điện áp DC cấpvào biến áp với một tần số nhất định như hình 3.6.

Hình 3.6 Nghich lư sóng vuông

- Ở nửa chu kỳ đầu tín hiệu xung kích ở mức cao Q1 và Q2 dẫn, Q3 và Q4ngưng dẫn do tín hiệu xung kich đã đi qua IC đảo trở thành mức thấp, dòng điệnbên sơ cấp biến áp đi theo hướng

VDC → W12 → Q3, Q4 → GND

Cuận thứ cấp thu được bán kỳ âm của dòng điện với biên độ điện áp tỉ lệ thuận vớihệ số khuếch đại của biến áp.

Hình 3.7 Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông so với sóng sin

2.3.3.2 Nghịch lưu xung vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra

Hình 3.9 Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông với bộ lọc LC

2.3.3.3 Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều

Một phương pháp cải tiến từ bộ nghịch lưu đơn giản đó là tạo ra ở đầu ra nhiều cấpđiện áp một chiều khác nhau, nhằm tạo lên dạng điện áp ra là rạng sóng kiểu bặcthang Sau đó sử dụng bộ lọc LC biến đương cong bậc thanh đó thành hình gầngiống sin Với đầu ra của biến áp càng nhiều cấp điện áp khác nhau thì chất lượngđầu ra của bộ nghịch lưu càng được cải thiện.

Phương pháp này là tổng hợp của 2 phép chuyển đổi DC-DC và DC-AC.

Bước đầu ta dùng phép chuyển đổi DC-DC để tạo ra nhiều cấp điện áp một chiềukhác nhau, hầu hết phép chuyển đổi này thường dùng biến áp xung Vì dùng biếnáp xung sẽ tiết kiệm về mặt kinh tế, nhỏ gọn và làm việc ở tần số cao lên điện áp rasau chỉnh lưu rất ổn định Đầu ra của biến áp xung được chỉnh lưu băng diodexung và được lọc các xung nhiễu cao tần nhờ các tụ C1 đến C4

Sau đó chuyển đổi DC – AC sử dụng 3 bộ cầu H biến đổi 3 mức điện áp thu đượcthành điện áp bậc thang ngõ ra Nhờ bộ loc LC mà điện áp ngõ ra đã được mềmhóa đưa về dạng gần giống hình sin Hình 3.10 Chuyển đổi DC-DC ,

Hình 3.10 Chuyển đổi DC-DC

Hình 3.11 Chuyển đổi DC-AC

Hình 3.12 Dạng sóng raNguyên lý hoạt động:

Xung tần số cao từ bộ điều khiển được đưa tới 2 Cực điều khiển của 2 MOSFETQ1, Q2 cấp nguồn cho biến áp hoạt động các đầu của biến sau khi đã chỉnh lưubằng diode xung cho ra các điện áp lần lượt là: 0 V, 98 V, 230 V, 310V.

Các điện áp này được đưa đến các bộ cầu H như hình 3.11 để thực hiện chuyển đổiDC –AC Các bộ cầu H được điều khiển bằng tín hiệu h1, h2, h3, l1, l2, l3 từ bộdiều khiển:

Với tín hiệu h1 thực hiện cho dong điện chạy từ98V - Q1A - L1 – Tai – L2 – Q1B – 0V.+) Với tín hiệu h2 thực hiện cho dòng điện chạy từ

230V – Q3A – L1 - Tai – L2 – Q3B – 0V.+) Với tín hiệu h3 thực hiện cho dòng điện chạy từ

310V – Q5A – L1 - Tai – L2 – Q5B – 0V.+) Với tín hiệu l1 thực hiện cho dòng điện chạy từ

98V – Q2A – L1 - Tai – L2 – Q2B – 0V.+) Với tín hiệu l2 thực hiện cho dòng điện chạy từ

230V – Q4A – L1 - Tai – L2 – Q4B – 0V.+) Với tín hiệu l3 thực hiện cho dòng điện chạy từ

310V – Q6A – L1 - Tai – L2 – Q6B – 0V.

Với càng nhiều cấp điện áp, các bậc thang càng bé lại, chất lượng dong điện càngđược càng được nâng cao hơn, hiệu suất cũng tăng lên Đến khi đạt mức lý tưởngvới n cấp điện áp ( n → ∞) thì dòng điện sẽ là hình sin Nhưng rất khó để thực hiệnđược điều đó Vì càng tăng cấp điện áp thì tính phức tạp của mạch càng cao, Cáctín hiệu điều khiển đòi hỏi tăng lên Vì vậy các mức điện áp chỉ có thể tăng đếnmột giá trị nhất định.

*)Nhược điểm:

Giá thành tương đối cao, mạch tương đối phức tạp đòi hỏi phải có kiến thức chácmới có thể tìm hiểu và thi công láp đặt được.

2.4 Chuyển đổi AC – AC

Hình 2.10 sơ đồ nguyên lí, giản đồ điện áp BBD AC – AC

Bộ biến đổi AC-AC (AC-AC converter) là một thiết bị chuyển đổi năng lượng từ một nguồn cung cấp điện xoay chiều (AC) sang một dạng AC khác có biên độ, tần số hoặc pha khác nhau Có nhiều loại bộ biến đổi AC-AC, nhưng một số nguyên lýhoạt động chung có thể được mô tả như sau:

- Một số bộ biến đổi AC-AC được thiết kế để điều chỉnh biên độ của điện áp đầu ra Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các thành phần điều khiển như thyristor hoặc transistor Các thành phần điều khiển này được kích thích sao cho chúng kiểm soát thời điểm mà dòng điện được chuyển từ nguồn vào đến đầu ra Kết quả là biên độ của điện áp đầu ra có thể được kiểm soát.

- Bộ biến đổi AC-AC cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi tần số của nguồn điện AC Điều này hữu ích trong các ứng dụng nơi mà tần số cần phải được điều chỉnh, ví dụ như trong các hệ thống điều khiển động cơ Các mạch chuyển đổi tần số thường sử dụng các thành phần như biến áp và các bộ chỉnh lưu để chuyển đổi tần số.

- Một số ứng dụng yêu cầu đảo chiều pha của nguồn điện AC Bộ biến đổi AC có thể được sử dụng để thực hiện điều này bằng cách sử dụng các thành phần điều khiển phù hợp.

- Bộ biến đổi AC-AC cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp của nguồnvào thành điện áp đầu ra khác nhau Điều này thường được thực hiện thông qua các biến áp có tỷ số số vòng lớn và nhỏ khác nhau.

- Trong hầu hết các trường hợp, các bộ biến đổi AC-AC sử dụng các thiết bị điềukhiển điện tử như thyristors, transistors, hay IGBTs để thực hiện chức năng chuyểnđổi.

CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC TỪ 12V LÊN 220V3.1.Các đặc điểm chung

Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn Trong máy điện có thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành thông qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền, phản ứng chậm, nhưng có ưu điểm cơ bản là điện áp ra tải luôn đảm bảo sin trong toàn dải điều chỉnh Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điều áp xoay chiều, có đặc điểm sau đây: ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự độnghóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa quá trình công nghệ… Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐA XC là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh (điện áp trên tải chỉ đạt sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra, thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không ứng dụng được ĐA XC Phạm vi ứng dụng của ĐA XC thường là: • Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng • Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất điện đưa vào lò.

• Có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ điện động cơ KĐB, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc bơm li tâm với phạm vi điều chỉnhkhông lớn ĐAXC thích hợp với các chế độ như khởi động, đóng – ngắt nguồn chođộng cơ điện xoay chiều.

• ĐAXC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và thông qua đó điều chỉnh điện áp ra tải, phụ tải có thể là dòng điện xoay chiều hoặc một chiều (chỉnh lưu diode phía thứ cấp) khi rơi vào hai trường hợp sau:

1 Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhưng dòng điện thứ cấp rất lớn,ví dụ như thiết bị hàn tiếp xúc.

2 Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, ví dụ như nguồn cho điện phân, lọc bụi tĩnh điện.

ĐA XC làm việc với nguồn vào là điện áp xoay chiều, tức là giống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng cũng như nguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tương tự như mạch chỉnh lưu Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đây là:

• TRIAC, đây là van duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều • Ghép hai van chỉ cho phép dẫn một chiều, bằng cách đấu song song ngược nhau,lúc đó mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng cách này có thể ghép hai thyristor với nhau hoặc một thyristor với một diode.

Nguyên tắc điều khiển của ĐAXC tương tự như trong mạch chỉnh lưu điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn Xét về phía mạch van, bộ chỉnh lưu và ĐAXC có những điểm giống nhau: các van làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu các ảnh hưởng lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cũng là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều.

3.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-AC 1 pha 3.2.1 Nguyên lý

Mạch chuyển đổi DC 12V sang 220V AC : thường cần thiết ở những nơi không thể lấy nguồn AC từ Mains Một mạch Inverter được sử dụng để chuyển đổi nguồnDC thành nguồn AC Bộ Inverter có thể có hai loại Bộ Inverter sóng sin đúng / thuần và bộ Inverter chuẩn hoặc Inverter Những bộ Inverter sóng sin thực sự / thuần túy này có giá thành cao, trong khi bộ Inverter đã sửa đổi hoặc gần như không đắt.

Những Inverter được sửa đổi này tạo ra sóng vuông và chúng không được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử tinh vi Ở đây, một mạch Inverter điều khiển điện áp đơn giản sử dụng các transistor điện làm thiết bị chuyển mạch được xây dựng, giúp chuyển đổi tín hiệu 12V DC thành 220V AC một pha.

Ý tưởng cơ bản đằng sau mọi mạch nghịch lưu là tạo ra dao động bằng cách sử dụng một chiều cho trước và áp dụng những dao động này trên cuộn sơ cấp của biến áp bằng cách khuếch đại dòng điện Điện áp sơ cấp này sau đó được nâng lên thành điện áp cao hơn tùy thuộc vào số vòng dây trong cuộn sơ cấp và thứ cấp Bộ chuyển đổi 12V DC sang 220 V AC cũng có thể được thiết kế bằng các transistor đơn giản Nó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho đèn lên đến 35W nhưng có thể được thực hiện để tăng tải mạnh hơn bằng cách thêm nhiềuMosfet.

3.2.2 Giản đồ diện áp

3.5 Mô phỏng bộ biến đổi trên trên Psim - Mạch nghịch lưu 1 pha :