Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều theo phương pháp điều biến độ rông xung
LờI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Thuỳ Linh Mã số sinh viên: 0962020026 Sinh viên lớp: ĐL - ĐĐT 3 Nghành: CN Kỹ thuật Điện - Điện tử Trờng Đại học S phạm Kỹ thuật Nam Định Xin cam đoan: Đề tài: Thiết kế bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều theo phơng pháp điều biến độ rộng xung là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trớc hội đồng bảo vệ đồ án và pháp luật. TP. Nam Định, ngày tháng 02 năm 2011 Sinh viên Ngô Thuỳ Linh 1 Mở đầu 1. Đặt vấn đề. Khoa học công nghệ đang trên à phát triển, hầu hết các thiết bị đều liên quan đến nguồn điện. Điện là nguồn năng lợng không thể thiếu trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời cũng nh trong việc sản xuất kinh doanh. Hiện nay nớc ta đang trên đờng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhiều thiết bị đợc đa vào sản xuất đòi hỏi phải có nguồn điện cung cấp liên tục, vì nguồn cung cấp điện là một vấn đề đợc quan tâm hàng đầu. Nhiều thiết bị đợc sủ dụng trong đời sống hàng ngày đòi hỏi phải đợc cung cấp điện một cách liên tục không gián đoạn nh Máy tính để lu lại dữ liệu khi mất điện đột ngột . Vì vậy để giữ cho nguồn điện đợc liên tục thì chúng ta phải có một bộ nguồn dự phòng để khi mất điện lới thì nguồn dự phòng hoạt động làm thiết bị ta đang sử dụng không bị ngng hoạt động, đó là vấn đề cần đợc quan tâm trong việc cung cấp nguồn cho các thiết bị điện. 2. Tầm quan trọng của đề tài. Đề tài về nguồn điện là một đề tài đợc thực hiện khá nhiều lần từ trớc đến nay. Thiết nghĩ nguồn là một hệ thống không thể thiếu trong tất cả các lĩnh vực. Bên cạnh đó nguồn dự phòng cũng rất là quan trọng khi ma thiết bị chúng ta sử dụng gặp phải sự cố về nguồn nh mất nguồn hay điện áp giảm đột ngột thì dễ gây h hại cho máy móc. Đồng thời ở những nơi đòi hỏi tính liên tục của nguồn điện nh sân bay, bu điện . để đảm bảo dữ liệu không bị mất và không xảy ra những hậu quả khác. Để những điều trên không xảy ra thì chúng ta phải có một bộ nguồn dự phòng cho tất cả các thiết bị mà ta đang sử dụng. Ngày nay, trong các lĩnh vực nh bu chính viễn thông, hàng không, trong các hệ thống bảo vệ, . thì nguồn dự phòng cho các hệ thống điện tử đợc quan tâm hàng đầu. 2 3. Giới hạn đề tài. Việc chuyển đổi điện áp từ xoay chiều (AC) sang một chiều (DC) và việc chuyển mạch cấp điện là những phần quan trọng trong bộ nguồn dự phòng, nó đảm bảo cho thiết bị hoạt động bình thờng nh khi sử dụng nguồn điện lới ổn định. Trong phạm vi đề tài này, em sẽ đi sâu vào việc tìm hiều nguyên lý hoạt động của nguồn UPS (Unit Power Supply) và thi công một bộ nguồn chuyển đổi điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều theo phơng pháp điều biến độ rộng xung. 4. Mục đích nghiên cứu. Để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện ngày càng cao của các thiết bị Điện - Điện tử thì đòi hỏi nguồn điện cung cấp phải đạt chất lợng ổn định cao cũng nh việc trang bị các thiết bị điện dự phòng và đa vào sử dụng khi nguồn điện mất hoàn toàn. Xuất phát từ những yêu cầu đó và dựa trên những kiến thức cơ bản đã đợc học ở trờng, em đã mạnh dạn chọn đề tài Thiết kế bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều theo phơng pháp điều biến độ rộng xung. Trong khi nghiên cứu, em đã thi công một bộ chuyển đổi điện áp từ 220 VAC thành 12 VDC. Đề tài này có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Ngoài ra trong quá trình thực hiện đề tài, em có thể củng cố kiến thức, đồng thời học thêm đợc những kiến thức mới. 5. Phơng pháp và phơng tiện nghiên cứu. Sau khi chọn và chính xác hóa đề tài với đề cơng nghiên cứu đã soạn xong thì bắt tay vào việc thu thập dữ kiện dùng làm những chất liệu hình thành công trình nghiên cứu một cách khoa học. Trong nghiên cứu khoa học thờng sử dụng các phơng pháp thu thập dữ kiện chung cho mọi khoa học xã hội, đó là phơng pháp tham khảo tài liệu, điều tra phỏng vấn . mỗi phơng pháp dữ vai trò cho từng loại nghiên cứu khác nhau. Tuy nhiên các phơng pháp khác vẫn đợc dùng để bổ sung, các phơng pháp đều đợc vận dụng để thu thập dữ kiện trong đó có một ph- ơng pháp giữ vai trò chủ đạo. Phơng pháp thực nghiệm: Trong quá trình nghiên cứu em sử dụng Testboard và một số thiết bị khác để kiểm tra hoạt động của mạch. 3 Tham khảo ý kiến Thầy cô, bạn bè. Phơng pháp khảo sát: ở đây em có kháo sát một bộ Converter đợc bán trên thị trờng từ đó tìm hiều nguyên lý cụ thể của chuyển đổi. Phơng pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức cơ bản của bản thân để từ đó chọn phơng án thực hiện đồ án. 6. Cấu trúc đồ án. Đồ án đợc em trình bày trong 3 chơng: - Mở đầu - Chơng 1: Cơ sở lý thuyết và thực tiễn bộ biến đổi năng lợng điện - Chơng 2: Cơ sở thiết kế bộ biến đổi AC/DC trong công nghiệp - Chơng 3: Nguyên cứu, thiết kế bộ biến đổi AC/ DC có mass cách ly sử dụng trong công nghiệp. - Kết luận. 4 Chơng I: cơ sở lý thuyết và thực tiễn của các bộ biến đổi năng lợng điện 1.1. Cơ sở lý thuyết trong biến đổi năng lợng 1.1.1 Các bộ biến đổi năng lợng trực tiếp 1.1.1.1 Bộ biến đổi ac dc Bộ biến đổi AC DC là các mạch chỉnh lu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Có nhiều cách để phân loại mạch chỉnh lu: - Dựa theo số pha nguồn cấp ta có: chỉnh lu một pha, chỉnh lu hai pha, chỉnh lu ba pha và chỉnh lu sáu pha. - Dựa theo loại van bán dẫn: + Mạch van dùng toàn diode, đợc gọi là chỉnh lu không điều khiển + Mạch van dùng toàn SCR, đợc gọi là chỉnh lu điều khiển + Mạch chỉnh lu dùng cả diode và SCR, đợc gọi là chỉnh lu bán điều khiển. - Dựa theo sơ đồ mắc: Sơ đồ chỉnh lu hình tia, sơ đồ chỉnh lu hình cầu. Trong phạm vi đồ án nghiên cứu về hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi, ta chỉ xét các mạch chỉnh lu điều khiển và chỉnh lu bán điều khiển. Cấu trúc chỉnh lu nh hình vẽ: Hình1.1: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu Điện áp từ lới điện đợc đa qua biến áp để là giảm áp, sau đó đợc đa qua bộ chỉnh lu để nắn dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều nhấp nhô. Dòng điện này đợc san phẳng bởi bộ lọc để lấy ra dòng điện một chiều bằng phẳng. Các thông số cơ bản của chỉnh lu 5 BA CL Lọc U 1 , P 1 U 2 , P 2 U = , P = - Điện áp tải: - Dòng điện tải: I d = U dc /R d - Dòng điện chạy qua van: I V = Id/m - Điện áp ngợc của van: U N = U max - Công suất biến áp: - Số lần đập mạch trong một chu kì (m) - Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải 1. 1.1.2 Bộ biến đổi AC AC Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của điệp áp ngõ ra. Nó đợc mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhng trị hiệu dụng điều chỉnh đợc. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều chỉ điều chỉnh đợc trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều nhng dòng điện không còn dạng sang sin, do đó nó không sử dụng đợc cho phụ tải cần dòng dạng sin nh máy biến áp, động cơ không đồng bộ công suất lớn hơn vài trăm W. Tuy nhiên nếu phụ tải không cần dòng dạng sin nh mạch nhiệt ding điện trở thì Bộ biến đổi điện áp xoay chiều có u điểm nổi bật do công suet tiêu tán nhiệt của linh kiện đóng ngắn bán dẫn không cao nh biến trở. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của các tải nh lò điện trở, bếp điện, quảng cáo 1.1.1.3 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha * Sơ đồ mạch điện Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha gồm 2 SCR mắc song song ngợc nhau. Khi tải có công suất nhỏ có thể thay 2 SCR bằng một triac 6 ( ) = T 0 dd d.u T 1 U dsd BA2BA1 BA U.k 2 SS S = + = SCR 2 Z SCR 1 u ~ Hình 1.2: Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha * Nguyên lý hoạt động Hình1.3: Dạng sóng mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha Khi kích SCR 1 trong bán kỳ dơng với góc kích hoặc kích SCR 2 trong bán kỳ âm với cùng góc kích thì : u R = U m sin t = U m sin Sau khi SCR 1 hoặc SCR 2 ngng dẫn, u R = 0. Do 2 SCR mắc ngợc chiều nhau nên u SCR1 = -u SCR2 khi có một trong hai SCR dẫn. u R = U m sin khi SCR 1 hoặc SCR 2 dẫn u R = 0 khi SCR 1 và SCR 2 không dẫn u SCR1 = -u SCR2 = 0 khi SCR 1 hoặc SCR 2 dẫn u SCR1 = -u SCR2 = U m sin khi SCR 1 và SCR 2 không dẫn Trị hiệu dụng điện áp ra tải bằng: 7 u~ SCR 1 u R 2 3 0 u SCR1 = -u SCR2 SCR 1 SCR 2 ( ) 2 2sin 1sin2 2 1 2 0 2 +== UdUU R Khi thay đổi từ 0 đến thì U R thay đổi từ U đến 0. Trị số hiệu dụng của dòng điện trên tải: I = U R /z Công suất tác dụng trên tải: p t = u r .i = u r 2 /i Để đơn giản chỉ nên dùng một mạch điều khiển kích đồng thời cả SCR 1 lẫn SCR 2 , mỗi chu kỳ kích 2 xung. 1 1.1.4 Bộ biến đổi DC AC Bộ biến đổi DC AC chính là các mạch nghịch lu độc lập. Nó có nhiêm vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi đợc và làm việc phụ tải độc lập. Nguồn một chiều thông thờng là điện áp chỉnh lu, ắc quy và các nguồn một chiều độc lập khác. 1.1.1.5 Nghịch lu dòng một pha Nghịch lu dòng là thiết bị biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tuỳ ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào L d thờng có giá trị lớn vô cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục. a) Sơ đồ mạch điện 8 i d + - T 1 T 2 T 3 T 4 i c i z i N Hình 1.4: Sơ đồ mạch điện nghịch lu dòng một pha Mạch điện sử dụng 4 SCR có nhiệm vụ đóng ngắt Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng hởng LCR, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt. b) Nguyên lý làm việc Tín hiệu điều khiển đợc đa vào SCR T 1 ,T 2 thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đa vào T 3 , T 4 một góc 180 0 . Điện cảm đầu vào của nghịch lu đủ lớn (L = ), do đó dòng điện đầu vào đ ợc san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lu (i N ) có dạng xung vuông. Hình1.5: Dạng sóng mạch điện nghịch lu dòng một pha Khi đa xung vào mở cặp van T 1 , T 2 , dòng điện i N = i d = I d . Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu đợc nạp điện với dấu + ở bên trái và dấu - ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về 0. Do i N = i C + i Z = I d = hằng số, nên lúc đầu dòng tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ ngời ta đa xung vào mở cặp van T 3 , T 4 . Cặp T 3 , T 4 mở tạo quá trình phóng điện của tụ C từ cực + về cực . Dòng phóng ngợc chiều với dòng qua T 1 và T 2 sẽ làm cho T 1 và T 2 bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần nh tức thời. Sau đó tụ C sẽ đợc nạp điện theo chiều ngợc lại với cực tính + ở bên phải và - ở bên trái. Dòng nghịch lu i N = i d = I d nhng đã đổi dấu. Tiếp đó, ngời ta đa xung vào mở T 1 , T 2 thì T 3 , T 4 sẽ bị khoá lại và quá trình đợc lặp lại nh trớc. 9 0 0 0 0 i d i c i Z i T 1 i T 2 T I d 1.1.1.6 Nghịch lu áp một pha a) Sơ đồ mạch điện Nghịch lu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều ba pha với tần số tuỳ ý. Nghịch lu áp đợc sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Hình1.6: Sơ đồ mạch điện nghịch lu áp một pha Giả thiết các van động lực là các khoá diện tử lý tởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không. Mạch điện gồm 4 van động lực chủ yếu là: T 1 , T 2 , T 3 , T 4 và các diode D 1 , D 2 , D 3 , D 4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lới và nh vậy tránh đợc hiện tợng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C đợc mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn một chiều. Nh vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp. b) Nguyên lý làm việc ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ữ 2 ), cặp van T 1 , T 2 dẫn điện, phụ tải đợc đấu vào nguồn. Do là nguồn áp nên điện áp trên tải U t = E (hớng dòng điện là đờng nét liền). Tại thời điểm (0 = 2 ), T 1 , T 2 bị khoá đồng thời T 3 , T 4 mở ra. Tải sẽ đợc đấu 10 T 1 T 4 T 3 T 2 D 3 D 2 D 1 D 4 Zt i d CE + - i t [...]... mạch điện nghịch lu áp một pha 0 1 1.1.7 Bộ biến đổi DC _DC Bộ biến đổi DC _DC còn gọi là bộ băm áp một chiều Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt đợc mắc song song với tải 1.1.2 Các bộ băm áp một chiều nối tiếp Bộ biến đổi DC _DC chính là bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều. .. VDC1>VDC2 hay nói một cách khác độ rang xung càng hẹp thì điện áp DC ở ngõ ra càng thấp Dựa vào lý luận trên ngời ta thiết kế bộ ổn áp ngắt mở sao cho khi điện áp vào tăng thì độ rộng xung giảm suy ra điện áp trung bìmh giảm và ngợc lại khi điện áp vào giảm thì độ rộng xung tăng suy ra điện áp trung bình ở ngõ ra tăng, Đây là ý t ởng cơ bản nhất để thiết kế bộ ổn áp dựa trên sự thay đổi độ rộng xung 2.3.2.ảnh... hớng thay đổi, nguồn ra cũng có xu hớng thay đổi theo Điện áp trên hai cuộn thứ cấp máy biến áp thay đổi điện áp +5V cũng thay đổi Sự thay đổi của điện áp đầu ra +5V sẽ làm cho điện áp rơi trên các điện trở R13, R14, R15 thay đổi theo dẫn đến điện áp tại chân B của Q3 thay đổi Mặt khác UE của Q3 là không đổi UBE của Q3 thay đổi làm cho dòng IC của Q3 thay đổi dòng qua LED OPTO thay đổi cờng độ chiếu... dùng để điều khiển giá trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một U K + chiều không đổi ở ngõ vào Ud U1 UTB U1 Ud Zd t t1 t2 _ TCK 12 Hình 1.8 :Sơ đồ mạch băm áp một chiều nối tiếp tải thuần trở Mạch băm áp một chiều nối tiếp là mạch có phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp đợc mắc nối tiếp với tải Điện áp một chiều đợc điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khoá K trong... Khối tạo dao động: tạo ra xung để đa đến khối điều chế Điều khiển xung: lấy điện áp sai lệch từ dò sai để khống chế dao động đa đến khuyếch đại xung Khuyếch đại xung: điều khiển khoá K ngắt mở theo dao động *Nguyên lý làm việc: 17 Điện áp sau khi qua lọc sơ bộ đợc đa đến chuyển mạch điện tử Chuyển mạch SW sẽ đóng mở theo nhịp của bộ điều chế xung đa đến đầu ra của tải có xung vuông Khi đến diode D... hoạt động: *Khi mới cấp nguồn điện áp cao tần đợc lọc bởi các thành phần R1, C1, TP1, TP2, C2 sau đó đa đến bộ cầu nắn tạo điện áp một chiều DC Điện áp một chiều DC này đợc lọc sơ bộ bởi tụ C3 và đa đến sơ cấp của biến áp ngắt mở Điện áp cấp trớc là điện áp đợc lấy sau khi hạ áp, hạn dòng bởi R3 đến chân 7 của IC dao động Từ sơ đồ nguyên lý của mạch ta thấy: Khi điện áp vào AC sẽ xuất hiện điện áp DC Một. .. mạch dao động Blocking phụ thuộc vào giá trị các cuộn cảm, tụ C và điện trở Rb Trong mạch ổn áp nguồn Switching ngời ta chỉ thay đổi giá trị Rb để thay đổi tần số dao động thay đổi điện áp nguồn ở ngõ ra Tơng tự nh dao động đa hài, Rb có thể là tổng trở CE của một TZT 2.2.3.Phơng pháp vừa thay đổi tần số vừa thay đổi độ rộng xung: Phơng pháp này là sự kết hợp của hai phơng pháp trên Phơng pháp này... ngắt mở đến điện áp DC trung bình ở ngõ ra: Xét mạch điện: mô hình xét ảnh hởng của độ rộng xung đến tải SW Vi C1 Rt Giả giử rằng dạng xung ra của mạch ngắt mở là lý tởng (xung vuông), ta có thể khảo sát đợc ảnh hởng của sự thay đổi độ rộng xung đến điện áp DC ngõ ra một cách trực quan nh sau(dĩ nhiên là tần số không thay đổi) : độ rộng xung thay đổi sẽ khiến cho điện áp DC ở ngõ ra thay đổi VDC1 0 Tụ... qua bộ ghép quang, qua bộ khuếch đại sai lệch và đa đi điều chỉnh tín hiệu PWM cấp cho phần tử ngắt mở 2.2.Các phơng pháp thực hiện điều chế độ rộng xung 2.2.1.Giữ nguyên tần số, thay đổi độ rộng xung: Nguồn ổn áp xung có nhiều kiểu ổn áp nh: PWM, PFM, PAM, PFM+PWM Nhng phần đa trong TV,VCD,VCR hiện nay thờng sử dụng phơng pháp PWM Để điều chế độ rộng xung ngời ta sử dụng phơng pháp Analog: +Phơng pháp. .. R . Chơng 2: Cơ sở thiết kế bộ biến đổi AC/ DC trong công nghiệp - Chơng 3: Nguyên cứu, thiết kế bộ biến đổi AC/ DC có mass cách ly sử dụng trong công. Các bộ biến đổi năng lợng trực tiếp 1.1.1.1 Bộ biến đổi ac dc Bộ biến đổi AC DC là các mạch chỉnh lu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay
