TINH TOAN THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU AP 1 PHA

32
GVHD:Nguyễn Đình Hùng

Khoa Điện_Điện Tử ĐH SPKT Hưng Yên
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 3
LỜI NÓI ĐẦU 5
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI
1.1. IC ổn áp 7805 6
1.1.1. Sơ đồ chân 6
1.1.2. Chức năng 6
1.1.3. Ứng dụng 6
1.1.4. Một vài thông số của IC 7805 6
1.2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 7
1.2.1. Cấu trúc và ký hiệu 7
1.2.2. Nguyên lý làm việc. 8
1.2.3. Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area) 8
1.3. IC IR2110 9
1.3.1. Sơ đồ chân IR2110 9
1.3.2. Chức năng 11
1.4. IC SG3525 11
1.4.1. Sơ đồ chân 11
1.4.2 Chức năng 13
1.5. Nghịch lưu 13
1.5.1. Giới thiệu về nghịch lưu 13
1.5.2. Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa 14
1.5.3. Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H. 15
1.5.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha. 16
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA
2.1. Sơ đồ khối toàn mạch 20
2.2. Tính toán, thiết kế mạch động lực 21
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 21

2.2.2. Tính toán chọn IGBT 22
2.2.3. Bảo vệ IGBT 23
2.2.4. Tính toán làm mát cho IGBT 24
2.2.5. Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT 26
2.3. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 26
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển 26
2.3.2. Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển 27
2.4. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch 28
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 28
2.4.2. Nguyên lý hoạt động toàn mạch 29
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
3.1. Khảo sát tín hiệu ra của mạch điều khiển 30
3.2. Khảo sát tín hiệu ra của mạch khuếch đại 30
3.3. Tài liệu tham khảo 32

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp phải rất nhiều những vấn đề khó khăn song với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử và sự lỗ lực không ngừng của cả nhóm, đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài.. Tuy nhiên, do kiến thức của chúng em còn hạn chế, nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy Nguyễn Đình Hùng, cùng các thầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử và các bạn đọc để đề tài này của chúng em ngày càng hoàn thiện và phát triển lên mức cao hơn trong thời gian gần nhất.
Sau 1 thời gian thực hiện đề tài tại khoa, chúng em đã được học hỏi rất nhiều kinh nghiệm và kiến thức. Các thầy cô gióa trong khoa đã nhiệt tình chỉ bảo. Đặc biệt là sự hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhận xét giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, các thiết bị biến đổi điện năng dùng các linh kiện bán dẫn công suất đã được sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong thực tế sử dụng điện năng ta cần thay đổi tần số của nguồn cung cấp, các bộ biến tần được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện, trong các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng, trong thiết bị chiếu sáng... Bộ nghịch lưu là bộ biến tần gián tiếp biến đổi một chiều thành xoay chiều có ứng dụng rất lớn trong thực tế như trong các hệ truyền động máy bay, tầu thuỷ, xe lửa...
Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điện tử công suất và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiện đại. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: "Thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu một pha". Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm.
Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI
1.1. IC ổn áp 7805
1.1.1. Sơ đồ chân

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 78XX
Nhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC.
Chân số 1: Input (chân vào)
Chân số 2: GND (nối mass)
Chân số 3: Output (chân ra)
1.1.2. Chức năng
IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố định ở mức (+) xx V
78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)
XX là 2 số của điện áp lấy ra.
Lưu ý: Điện áp đầu vào của IC phải lấylớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên. Ví dụ IC 7805 thì Vin phải 8V trở lên.
1.1.3. Ứng dụng
Được dùng để thiết kế các bộ nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho các mạch điện không đòi hỏi điện áp ổn định quá cao.
1.1.4. Một vài thông số của IC 7805
Dòng cực đại có thể duy trì 1A.
Dòng đỉnh 2,2A.
Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:
Pd = (Ui – Uo) . I
Trong đó:
Ui – áp lối vào ,Uo – áp lối ra
I – dòng sử dụng
Đặc tính

Điều kiện
TJ
µA7805C

Đơn vị

MIN
TYP
MAX

Output voltage (Điện áp ra)
IO = 5 mA to 1 A,
VI = 7 V to 20 V PD 15 W
25°C
4.8
5
5.2
V

0°C to 125°C
4.75

5.25

Input voltage regulation
( Sự ổn áp đầu vào)
VI = 7 V to 25 V
25°C

3
100
100mV
Output voltage regulation
( Sự ổn áp đầu vào)
IO = 5 mA to 1.5 A
25°C

15
100
mV
Temperature coefficient of output voltage (Hệ số nhiệt độ của điện áp ra)
IO = 5 mA
0°C to 125°C
-1,1

mV/°C
Output noise voltage(
Điện áp tạp nhiễu)
f = 10 Hz to 100 kHz
25°C
40

µV
Dropout voltage( Điện áp rơi)
IO = 1 A
25°C
2

V
Bảng 1.1: Một vài thông số của IC 7805
1.2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
1.2.1. Cấu trúc và ký hiệu
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter( tương tự cực gốc) với collector(tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET . Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.
Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector

Hình 1.2: a) Cấu trúc IGBT
b) Sơ đồ tương đương của IGBT
1.2.2. Nguyên lý làm việc.
- Phân cực cho IGBT sao UCE >0,sau đó vào cực G một điện áp điều khiển Uge>0 với một giá trị đủ lớn. Khi đó hình thành một kênh dẫn với các hạt là điện từ giống như MOSFET các hạt điện tử di chuyển về phía cực C, vượt qua lớp tiếp giáp P-N tạo nên dòng Colector
- Thời gian đóng cắt của IGBT nhanh hơn transistor thường , trể khi mở khoảng 0,15ms, trễ khi khóa khoảng 1ms. Công suất điều khiển IGBT rất nhỏ thường mở dưới dạng điện áp điều khiển là +-15V . Để mở thường cấp tín hiệu +15V,khóa cấp tín hiệu -15V
1.2.3. Vùng làm việc an toàn (Safe Operating Area)
Vùng làm việc an toàn được thể hiện dưới dạng đồ thị quan hệ giữa điện áp và giá trị dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoạt động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa, cũng như trong các quá trình đóng cắt.
Khi điện áp đặt lên cực điều khiển và emitor là dương và hình thư hai thì điện áp này là âm. Khi điện áp điều khiển dương, SOA có dạng hình chữ nhật với góc hạn chế ở phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này có nghĩa là khi chu kì đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao thì khả năng đóng cắt công
suất càng suy giảm. Khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực điều khiển và emitor, SOA lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử bán dẫn công suất khác . Giá trị lớn nhất của dòng cho phép collector cho phép Icm được chọn sao cho tránh được hiện tượng chốt giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở thyristor. Hơn nữa, điện áp điều khiển lớn nhất Uge cũng phài được chọn để có thể giới hạn được dòng điện Ice trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự có ngắn mạch bằng cách chuyển đổi bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dòng Ice được giới hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp Uce lúc đó. Tiếp theo IGBT phải được khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mạnh . Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng collector là điều cần thiết khi thiết kế IGBT.
1.3. IC IR2110
IGBT là phần tử bán dẫn có tính nắng ưu việt như khả năng đóng cắt nhanh, công suất điều khiển nhỏ, thay thế cho các transistor công suất thường. Vì thế, điều kiện mở khóa của nó có những yêu cầu đặc biệt.Khó khăn trong việc điều khiển với sườn xung dựng đứng. Thờigian tạo sườn xung chỉ cỡ 0.1us hoặc nhỏ hơn
Nhưng tụ kí sinh giữa cực điều khiển với gốc S, giữa cực G với cực máng D cản trở tốc độ thay đổ của tín hiệu điều khiển.
1.3.1. Sơ đồ chân IR2110

Hình 1.3: Sơ đồ chân IR 2110

Hình 1.4: Sơ đồ khối IR2110

Hình 1.5: Giản đồ sóng Input và Output của IC IR2110
Chân 1: Cổng điều khiển ra cho mức thấp
Chân 2: Phản hồi ở mức thấp
Chân 3: Chân nối với nguồn để cấp cho IC từ 10 đến 20 V
Chân 5: Điện áp treo trả về mức cao
Chân 6: Điện áp treo mức cao
Chân 7: Cổng điều khiển ra cho mức cao
Chân 9: Điện áp cấp theo mức từ Vss+3 đến Vss+20
Chân 10: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức cao
Chân 11: Đầu vào theo mức để tắt
Chân 12: Tín hiệu vào cho cổng ra điều khiển ở mức thấp
Chân 13: Chân cấp mass cho IC
1.3.2. Chức năng
Các vi mạch chuyên dụng phục vụ cho khâu xung điều khiển cuối cùng là các driver. Tuy nhiên, do thời gian khóa của IGBT bị kéo dài và quá tải có thể bị kéo ra khỏi chế dộ bão hòa, tổn thất trên phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử. chính vì vật, driver cho IGBT thường là các mạch lái(hybrid)- tức là một driver thường kết hợp các mạch bảo vệ quá tải. Đặc biệt, những driver cho IGBT công nghiệp là những mạch ghép phức tạp để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc.
IGBT sử dụng trong các mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt cao từ 2 đến hang chục nghìn KHz. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía phần tử đóng cắt. Vì vậy, để điều khiển cho IGBT ta dung IC chuyên dụng IR2110
1.4. IC SG3525
1.4.1. Sơ đồ chân

Hình 1.6: Sơ đồ chân IC SG 3525
- Điện áp hoạt động 8 đến 35VDC
- Dải tần số của bộ dao động từ 100HZ tới 400 KHz
IC SG3525 có những tính năng ưu việt hơn so với IC 4047 và IC TL494 như:
lấy nguồn mà không cần biến đổi nguồn nuôi cho IC, dễ điều chinh độ rộng xung ra, khoảng deal time vừa đủ để tạo ra chu kì âm mà không gây hiện tượng trùng dẫn.

Hình 1.7: Sơ đồ khối IC SG3525
Chức năng các chân:
Chân 1: Đầu vào đảo.
Chân 2: Đầu vào không đảo.
Chân 3: Chân đồng bộ hóa., cho phép đồng bộ xung với bộ dao động gắn ngoài.
Chân 4: Đầu ra xung của bộ dao động trong .
Chân 5: Mắc với một tụ điện CT=0.1uF- 1nF.
Chân 6: Gắn với một điện trở RT=2k - 150k .
Chân 7: Chân tụ CT xả điệp áp và được mắc với một trở RD.
Chân 8: Chân này nối với 1 tụ để khởi động êm hơn và chế độ soft – start được kích hoạt khi so sánh với điện áp Vref.
Chân 9: Chân bù này được hồi tiếp về chân đầu đảo góp phần điều chỉnh xung ra ra sẽ bù nếu có sai lệch về xung.
Chân 10: Chân shutdown- ngừng . Khi chân này mức thấp PWM được kích hoạt còn khi ở mức cao PWM được thiếp lập tức thời.
Chân 11 và chân 14: là các chân ra của tín hiệu điều khiển.Dòng ra định mức 100mA và dòng đỉnh là 500mA. Hai xung ra lệch pha nhau 1800 .
Chân 12: là chân mass của IC
Chân 13:Điện áp colector của transistor NPN được nối bên trong IC. Điện áp cấp cho chân này nên từ 9 đến 18V vì mosfet làm việc với điện áp thấp nhất là 8V và bị đánh thủng là 20V.
Chân 15: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động từ 8 đền 35V
Chân 16: Điện áp tham chiếu có giá trị thấp nhất là 5V cao nhất là 5.2 V thông thường là 5.1 V
1.4.2 Chức năng
Tạo ra 2 xung điều khiển lệch pha nhau 180o để điều khiển các cặp IGBT trong mạch công suất.
Tần số của PWM phụ thuộc vào tụ định thời và trở định thời. Tụ định thời (CT) kết nối giữa chân 5 và mass. Điện trở định thời (RT) được kết nối giữa chân 6 và mass. Điện trỏ giữa chân 5 và chân 7 ( RD) xác định deadtime .

Giá trị của RD trong dải 0 đến 500 . RT phải nằm trong dải 2k đến 150K . Tụ CT phải nằm trong dải 1nF(102) tới 0.2uF(224). Tần số trong công thức trên là tần số của bộ dao động vậy nếu muốn tính tần số của nghịch lưu là 50Hz thì ta phải tính ra 100HZ theo công thức trên.
1.5. Nghịch lưu
1.5.1. Giới thiệu về nghịch lưu
Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều. Nguồn cung cấp là một chiều, nhờ các khóa chuyển mạch làm thay đổi cách nối đầu vào và đầu ra một cách chu kì để tạo nên đầu ra xoay chiều. Khác với bộ biến tần việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới điện xoay chiều, còn trong bộ nghịch lưu hoặc trong bộ điều áp một chiều hoạt động của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải.
Các bộ nghịch lưu phân ra làm 2 loại :
Bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều
Bộ nghịch lưu độc lập(với các nguồn độc lập như acquy, máy phát điện…)
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 của các tiristo thỏa mãn điều kiện ((/2 < < ) lúc đó công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay chiều. 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 tùy ý. Tần số và điện áp nghịch lưu nói chung có thể điều chỉnh được.
1.5.2. Mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng dùng máy biến áp có điểm giữa
a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha
dùng máy biến áp có điểm giữa
b) Nguyên lý làm việc.
Sơ đồ gồm một máy biến áp có điểm giữa ở phía sơ cấp, hai thyritstor anot nối vào cực dương của nguồn nuôi E thong qua hai nửa cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, do đó còn có tên là onduleur song song. Ở đầu vào của onduleur dòng ta đấu nối tiếp với một điện cảm lớn Lk vừa để dự trữ dòng điện vào vừa để hạn chế đỉnh cao của dòng điện ic khi khởi động. Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.
Đặc điểm của onduleur dòng là có dòng điện tải dạng " sin chữ nhật" còn dạng điện áp trên tải thì do thong số mạch tải quyết định.
Trong đó:
2n1 là tổng số vòng dây sơ cấp.
n2 là số vòng dây thứ cấp.
i,v là dòng và áp phía thứ cấp.
+ Hoạt động của sơ đồ.
Giả thiết cho xung mở T1. Điểm A được T1 nối với cực âm của nguồn E. Bây giờ V0-Va=u1=E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nên VB-V0=u1=E. Như vậy tụ điện C được nạp điệp áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải.
Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristir này mở và đặt điện thế điểm B vào mạch catot T1 khiến T1 bị khóa lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để khóa T2 khi ta cho xung mở T1. Phía thứ cấp ta nhận đượng dòng " sin chữ nhật" mà tần số của nó thuộc vào nhịp phát xung mở T1,T2.
1.5.3. Mạch nghịch lưu nguồn dòng dùng sơ đồ cầu H.
a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu dòng 1 pha sơ đồ cầu H
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi thyritstor T1,T2 lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3,T4 một góc 180 độ điện. Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn do đó dòng điện vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2, dòng điện i = id=Id. Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến,tụ C bắt đầu nạp với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i = ic=id=const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t=t1) người ta đưa vào mở cặp T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-). Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1,T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khóa lại. Quá trình chuyển mạch gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ở bên trái. Dòng nghịch lưu i=id=-id ( đã đổi dấu). Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khóa lại và quá trình được lặp lại như trước.
Như vậy chức năng cơ bản của tụ C làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các Thyritstor. Tại thởi điểm t1, khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy trù điện áp ngược (t1=t'1)) là cần thiết để duy trì quá trình khóa và phục hồi tính điều khiển của van và t'1-t1=tk toff là thời gian khóa của Thyritstor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển.
β=w.tk là góc khóa của nghịch lưu.
c) Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch.

Hình 1.10: Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch
nghịch lưu dòng 1 pha sơ đồ cầu
1.5.4 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha.
a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1pha
Trong đó:
- T1,T2,T3,T4: Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi điện áp xoay chiều ra tải.
-Zt: là phụ tải.
-D1,D2,D3,D4: Là các diode dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi
-is: là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa.
Khi is>0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải( các thyristor dẫn dòng).
Khi is<0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi(các diode dẫn dòng).
-C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và dự trũ năng lượng dưới dạng điện trường.
Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua( dòng tải đi từ B đến A). Khi t = 0 cho xung mở T1 và T3, T2 và T4 bị khóa lại, dòng tải is = -Im không thể đào chiều 1 cách đột ngột. Nó tiếp chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch D1 đến E đến D3 đến tải đến D1 và suy giảm dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t = t1, i = 0, D1 và D3 bị khóa lại, T1 và T3 sẽ mở lại do vẫn còn xung điều khiển tác động ở các cực G1, G3 dòng tải i>0 và tăng chảy theo chiều từ A đến B.
Giai đoạn t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.Khi t = T/2 ( tại thời điểm t2) cho xung mở t2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại, dòng tải chạy qua D2 và D4 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở khóa đã bị khóa lại. Khi t = t3, i = 0, T2 và T4 sẽ mở lại, i<0 chảy theo chiều B đến A. Dòng tải I biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im.
c) Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch.

Hình 1.11: Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch
nghịch lưu áp 1 pha.
d) Công thức tính toán
Tải thuần cảm:
Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua, ta có phương trình:
L didt = E
và nghiệm là I = ELdt + C = ELt + C
Vận dụng cơ kiện đầu, xác đinh được hằng số tích phân C = -Im, vậy:
I = EL.t – Im
Vận dụng sơ kiện thứ hai, xác định được trị số của Im:
Im = EL. T4
Cuối cùng công thức dòng điện tải có dạng I = EL(t- T4)

Tải L + R nối tiếp:
Khi cho xung mở T1 và T3 ta có phương trình vi phân:
L didt + R.i = E (1)
Viết (1) dưới dạng toán tử laplace:
pI(p) – i(0) + aI(p) = ELp
Trong đó a = RL i(0) = - Im
I(p) = EL(p + a)p - Imp + a
Và nghiệm của phương trình trên là:
i = ER (1 – e-at) – Im. e-at (2)
Và vận dụng sơ kiện thứ hai, xác định được: Im = RL. 1 - e-RT/2I 1 + e-RT/2I
Tải R+L song song:
Điện áp đặt trên tải là u, có dạng " hình sin chữ nhật " , với biên độ E,
Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua, ta có các phương trình sau.
IR = RL
Ldildt = E
Do đó: il = - EL.t + C
Vận dụng cơ kiện thứ nhất, xác định được hằng số tích phân:
C = - ILm
Vận dụng sơ kiện thứ hai, xác định được trị số của ILm:
ILm = E.T2L - ILm => ILm = E4fL

CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA

2.1. Sơ đồ khối toàn mạch

KHỐI ĐIỀU KHIỂNKHỐI ĐIỀU KHIỂNKHỐI KHUẾCH ĐẠI KHỐI KHUẾCH ĐẠI NGUỒN ĐIỀU KHIỂNKHỐI CÔNG SUẤTKHỐI CHỈNH LƯU KHỐI LỌCNGUỒN 220VACTẢINGUỒN ĐIỀU KHIỂNKHỐI CÔNG SUẤTKHỐI CHỈNH LƯU KHỐI LỌCNGUỒN 220VACTẢI
KHỐI ĐIỀU KHIỂN
KHỐI ĐIỀU KHIỂN
KHỐI
KHUẾCH ĐẠI
KHỐI
KHUẾCH ĐẠI
NGUỒN ĐIỀU KHIỂN
KHỐI
CÔNG SUẤT
KHỐI CHỈNH LƯU
KHỐI LỌC
NGUỒN 220VAC
TẢI
NGUỒN ĐIỀU KHIỂN
KHỐI
CÔNG SUẤT
KHỐI CHỈNH LƯU
KHỐI LỌC
NGUỒN 220VAC
TẢI
Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn mạch

2.2. Tính toán, thiết kế mạch động lực
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

2.2.2. Tính toán chọn IGBT
Điện áp đặt vào van: U=310V
Coi tải là thuần trở ta có dòng qua van là
Coi van công suất được chọn phải căn cứ vào thông số dòng điện và điện áp trong mạch. Cụ thể các van công suất khi tính chọn phải thỏa các điều kiện do nhà sản xuất quy định. Trong đó các thông số thường phải được ưu tiên hàng đầu khi tính chọn va công suất là điện áp làm việc của van Uv; dòng điện hiệu dụng chảy qua van IVRMS và dòng điện trung bình chảy qua van IVAV.
Trong đó điện áp van được chọn phải thỏa mãn điều kiện.
Uv=(1.6÷2) Ungmax
=>Uv= 2×310 = 620V.
Còn dòng điện của van sông suất được chọn phụ thuộc vào điều kiện làm mát. Nếu va bán dẫn công chỉ được làm mát bằng tản nhiệt đối lưu tự nhiên thì khả năng chịu dòn điện chỉ bằng 25÷30% dòng định mức ghi trên van.
Nếu van bán dẫn công suất được làm mát bằng tản nhiệt và có quạt gió làm mát thì khả năng chịu dòng điện bằng 50÷70% dòng định mức ghi trên van.
Nếu van bán dẫn công dược làm mát bằng tản nhiệt và có dung dịch làm mát thì khả năng chịu dòng điện có thể đạt được 100% dòng định mức ghi trên van.Theo nhưng cách trên ta chọn điều kiện làm mát bằng tản nhiệu đối lưu tự nhiên. Vì thế ta có :
I = (25÷30%) IVRMS
IVRMS =(2.3*100)/25=9,2A
Chọn van có: UV = 600V và IV = 10A.
Căn cứ vào tính toán trên ta có thể chọn IGBT : FGA25N120AN
Tính năng của FGA25N120AN:
Tốc độ chuyển mạch nhanh
Điện áp bão hòa thấp: VCE(sat) =2.5 V, IC =25A
Trở kháng vào cao

Hình 2.3: IGBT FGA25N120AN

Ký hiệu
Mô tả
FGA25N120AN
Đơn vị
VCES
Điện áp khóa collector-emitter
1200
V
VGES
Điện áp gate-emitter
± 20
V
IC
Dòng điện colltter một chiều (TC=100oC)
25
A
ICM
Dòng điện đỉnh collectter lặp lại
75
A
PD
Công suất tiêu tán cực đại (TC=100oC)
125
W
TJ
Nhiệt độ chuyển tiếp
-55 đến +150
oC

Ký hiệu
Định nghĩa
Điều kiện
Type
Đơn
vị
VGE(th)
Điện áp gate-emitter ngưỡng

VCC= 600 V, Ic= 25A,
RG= 10 , VGE= 15V,
TC = 25°C

5.5
V
VCE(sat)
Điện áp collector-emitter bão hòa

2.5
V
td(on)
Thời gian trễ mở

60
ns
td(off)
Thời gian trễ đóng

170
ns
tr
Thời gian tăng trưởng

60
ns
Bảng 2.1: Một số thông số của FGA25N120A
2.2.3. Bảo vệ IGBT
Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp.
Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử. Bên cạnh đó cũng sảy ra các sự cố bất ngờ, những ảnh hưởng nhiễu. Chính vì vậy ta phải tính toán bảo vệ cho các van bán dẫn khi sảy ra sự cố…
Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện dùng Aptômat hoặc cầu chì.
- Nguyên tắc chọn thiết bị này là theo dòng điện với Ibv = (1,11,3)Ilv.
-Dòng bảo vệ của Aptômat không được vượt quá dòng ngắn mạch của máy biến áp.
Từ trên ta chọn cầu chì dể bảo vệ với:
Ibv = (1,11,3)Ilv= 1.3*2.3=2.99 (A)
Ta chọn cầu chì 3A để bảo vệ quá dòng cho IGBT.
2.2.4. Tính toán làm mát cho IGBT
Thiết bị bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc nhiệt độ mặt ghép lớp hơn nhiệt độ cho phép Tjm , thì có thể gây phá hỏng thiết bị bán dẫn. Vì vậy việc tính toán tỏa nhiệt cho mặt ghép là rất cần thiết:
+ Khi tính toán sơ đồ đẳng trị nhiệt thể hiện như 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 không khí của môi trường làm việc.
Rjv: Nhiệt trở giữa mặt ghép và vỏ thiết bị bán dẫn
Rvt: Nhiệt trở giữa vỏ và cánh tán nhiệt.
Rra: Nhiệt trở cánh tản nhiệt và không khí môi trường.

Hình 2.4: Sơ đồ đẳng trị nhiệt

+ Nhiệt độ được truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh, công suất nhiệt được truyền tỉ lệ thuận với nhiệt sai và tỉ lệ nghịch với nhiệt trở Rth.
P=T1-T2Rth
Trong đó T1 là nhiệt độ vùng nóng, T2 là nhiệt độ vùng lạnh, nhiệt trờ
Rth = Rjv + Rvr + Rra được tính bằng C/w
- Trong các bài toán nhiệt thường đưa ra cho chúng ta biết Tjm, Ta, Rth, P. Yêu cầu xác định biện pháp làm mát bằng đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát bằng bao nhiêu m/s.

Hình 2.5:
a) Đặc tính vol-ampe
b ) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt và tốc độ quạt làm mát
c) Đường cong biểu diễn nhiệt trở cánh tản nhiệt và môi trường

Với những dữ kiện trên ta chọn tản nhiệt bằng tản nhiệt đối lưu.
có T1 = 155 oC, T2 = 30 oC, P = 125 => Rth=1oC/W vậy ta có thể chọn loại tản nhiệt dưới đây:

Hình 2.6: Tản nhiệt tiêu chuẩn
2.2.5. Khuếch đại tín hiệu điều khiển cho IGBT
Để khuếch đại tín hiệu điều khiển IGBT có 3 phương án:
Biến áp xung
IC chuyên dụng
Transistor
Khuếch đại bằng biến áp xung thì có khả năng cách ly nhưng khó khăn trong cách sử dụng và chế tạo.
Khuếch đại bằng transistor thì nhỏ gọn hơn biến áp xung nhưng chỉ dùng cho các mạch công suất nhỏ.
Khuếch đại bằng IC chuyên dụng đối với mạch này sử dụng IC IR2110 vừa đáp ứng tần số lớn vừa sử dụng khá dễ không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu.
2.3. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

Hình 2.8: Sơ đồ ngyên lý mạch điều khiển
2.3.2. Tính toán tần số đầu ra của mạch điều khiển
Tần số ra của bộ nghịch lưu là f=50Hz như vậy ta phải tính toán tần số xung ra của IC SG3525 sao cho cũng có tần số 50Hz.

Hình 2.9: Sơ đồ khối của IC SG3525
Tần số của bộ dao động trong IC SG3525 được tính theo công thức (theo datasheet):

Như vậy tần số của bộ dao động phụ thuộc vào CT, RT và RD
Tần số của bộ dao động gấp đôi tần số đầu ra vậy nên để muốn tần số của 2 đầu ra là 50Hz thì fosc=100Hz .
Ta chọn CT=0.1uF RD=220 thay vào công thức trên:

ta suy ra RT=141.9 k
Chúng ta chọn RT là biến trở 100k và trở thường 100k
2.4. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của toàn mạch
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

2.4.2. Nguyên lý hoạt động toàn mạch
Khi được cấp nguồn SG3525 sẽ hoạt động tạo xung 50Hz xung của SG3525 phụ thuộc vào điện trở RT ,RD, và CT. Để có thể điều chỉnh tần số phát ra ta mắc 1 biến trở 150k chân 6 do đó ta thay đổi dài tần số của nó.
Tín hiệu xung ra ở 2 chân 11 và chấn 14 luôn lệch pha nhau 180 độ. Tín hiệu ở hai chân này được đưa vào chân 10 và 12 của IR2110 ( là chân HIN và LIN ) và được khuếch đại cũng như cách ly với mạch điều khiển .Tín hiệu ra của IR2110 là HO và LO lần lượt kích cho 2 cặp IGBT trong mạch cầu là Q1 và Q2 Q3 và Q4.
Khi có xung điều khiển vào các van. Giả sử nửa chu kì đầu Q1 và Q4 mở đang cho dòng chạy qua tải khi đấy Q2 và Q3 sẽ bị khóa lại, dòng điện đi qua Q1 đến tải và qua Q4 về nguồn. Nửa chu kì sau Q3 và Q2 sẽ mở còn Q1 và Q4 được khóa lại dòng đi từ Q4 đến tải và qua Q1 về nguồn. Khi đóng cắt liên tục các van khôn thể đảo chiều một cách đột ngột. Nên các diode nội bên trong van có nhiệm dẫn giòng và suy giảm dần, khiến các van kịp thời khóa lại. Quá trình đóng cắt liên tục tạo ra dòng điện qua tải biến thiên ngược chiều nhau.

CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ
3.1. Khảo sát tín hiệu ra của mạch điều khiển

Hình 3.1: Ouput driver của SG3525
Tín hiệu ra của Sg3525 ở chân 11 (tín hiệu màu đỏ) và 14 (tín hiệu màu vàng) . Hai xung điều khiển lệch pha nhau 180 độ. Tần số 50Hz và duty 47% đã đảm bảo được tần số và thời gia mở van.
3.2. Khảo sát tín hiệu ra của mạch khuếch đại

Hình 3.2: Tín hiệu LO của IR2110
Tín hiệu đầu ra của LO của 2 IC IR 2110 tín hiệu màu đỏ là tín hiệu của LO đi vào điều khiển Q2. Còn tín hiệu màu vàng là tín hiệu đi vào điều khiển Q4. Hai tín hiệu ở LO đầu ra giống như tín hiệu Lin đầu vào ( tín hiệu Hin đầu vào được lấy từ chân 14 của Sg3525 ) đều có tần số giống nhau là 50Hz, duty 47%. Bên cạnh đó 2 tín hiệu lệch pha nhau 180 độ đảm bào điều kiện khi Q2 mở thì Q4 khóa và ngược lại.

Hình 3.3: Tín hiệu HO của IR2110
Tín hiệu đầu ra của HO cuar 2 IR2110 không đo được cùng 1 lúc nên ta khảo sát từng kênh. Trên hình là tín hiệu của 1 IR2110 và tín hiệu của IC cũng tương tự nhưng lệch pha nhau. Tín HO giống với tín hiệu đầu vào Hin ( được lấy từ chân 11 của SG3525 ) có tần số 50Hz và duty 47%.

3.3. Tài liệu tham khảo
[1] Lê Văn Doanh: Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ Thuật, 2009.
[2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ Thuật, 2005.
[3] Trần Trọng Minh: Điện tử công suất, NXB Giáo Dục, 2004.
[4] Nguyễn Bính: Điện tử công suất, NXB Kỹ Thuật, 2007.
[6] Vũ Trung Học: Điện tử công suất, NXB Kỹ Thuật, 2004.
[6] Nguyễn Đình Hùng: Giáo trình điện tử công suất.
[7] Đỗ Công Thắng: Giáo trình điện tử công suất.

TINH TOAN THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU AP 1 PHA

Recommend Documents