›
›

Đồ án Xây dựng bộ biến đôi dc/ac có điện áp ra 220v, tần số 50hz, dạng hình sin

pdf 81 trang huongle 2840
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Xây dựng bộ biến đôi dc/ac có điện áp ra 220v, tần số 50hz, dạng hình sin", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_xay_dung_bo_bien_doi_dcac_co_dien_ap_ra_220v_tan_so_50.pdf

Nội dung text: Đồ án Xây dựng bộ biến đôi dc/ac có điện áp ra 220v, tần số 50hz, dạng hình sin

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG XÂY DỰNG BỘ BIẾN ĐÔI DC/AC CÓ ĐIỆN ÁP RA 220V, TẦN SỐ 50Hz, DẠNG HÌNH SIN. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Hải Phòng - 2012
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG XÂY DỰNG BỘ BIẾN ĐÔI DC/AC CÓ ĐIỆN ÁP RA 220V, TẦN SỐ 50Hz, DẠNG HÌNH SIN. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Văn Hiếu Giáo viên hƣớng dẫn: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng - 2012
  3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Văn Hiếu Mã sinh viên : 121264 Lớp : DC1201 Ngành : Điện tự động công nghiệp Tên đề tài : “ Xây dựng bộ biến đổi DC/AC có điện áp ra 220V ,tần số 50Hz,dạng hình sin ”
  4. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ) 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp:
  5. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất : Họ và tên : Thân Ngọc Hoàn Học hàm, học vị : Giáo Sƣ.Tiến Sĩ Khoa Học Cơ quan công tác : Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng Nội dung hƣớng dẫn : Toàn bộ đề tài Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2012 Yêu cầu phải hoàn thành trƣớc ngày tháng năm 2012 Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N Sinh viên Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N Nguyễn Văn Hiếu GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày tháng năm 2012 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị
  6. PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp 2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng chất lƣợng các bản vẽ ) 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn: (Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày tháng năm 2012 Cán bộ hƣớng dẫn chính (Họ tên và chữ ký)
  7. NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết minh các bản vẽ giá trị lý luận và thực tiễn đề tài: 2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện: (Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày tháng năm 2012 Ngƣời chấm phản biện 7
  8. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: CÁC BỘ NGHỊCH LƢU 2 1.1. NGHÞCH L¦U DßNG 2 1.1.1. Nghịch lƣu dòng một pha 2 1.1.2. Nghịch lƣu dòng ba pha 8 1.2. NGHÞCH L¦U ¸P 10 1.2.1. Nghịch lƣu áp một pha 11 1.2.2. Nghịch lƣu áp ba pha 13 1.3. NGHÞCH L¦U CéNG H¦ëng 15 1.3.1. Nghịch lƣu cộng hƣởng song song 15 1.3.2. Nghịch lƣu cộng hƣởng nối tiếp 16 1.4. nghÞch l¦u ®iÒu biÕn ®é réng xung pwm 17 CHƢƠNG 2 . XÂY DỰNG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC/AC TỪ 12VDC LÊN 220V AC, F=50Hz 22 2.1. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 22 2.2. Thiết kế mạch nâng điện áp từ DC 12v lên AC 300v, f= 35kHz 23 2.2.5. Quá trình mở và khóa của Mosfes 27 2.5. Thiết kế mạch chỉnh lƣu cầu 36 2.6. Mạch điều khiển cầu H 37 2.7. Mạch công suất cầu H 43 2.8. Các mạch bảo vệ quá dòng, thấp áp, quá nhiệt 44 2.10. Tính toán thiết kế và quấn biến áp xung 47 2.9. Tính toán mạch động lực . 47 2.11. Acquy 54 2.11.1.Khái niệm acquy 54 8
  9. 2.11.2. Quá trình biến đổi năng lƣợng trong acquy 55 2.11.3. Quá trình biến đổi năng lƣợng trong ắc qui kiềm 55 2.11.4. Sức điện động của ắc qui 56 2.11.6. Đặc tính phóng nạp của ắc qui 57 2.11.7. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit 60 2.11.8.Các phƣơng pháp nạp ắc qui tự động 60 2.12. Tính toán bộ ăcquy 62 2.13. Thiết kế mạch nạp ắc quy 63 CHƢƠNG III.XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ BỘ BIẾN ĐỔI 65 3.1. X©y dùng m¹ch ®iÖn biÕn ®æi DC/AC tõ 12v DC lªn 220v AC tÇn sè 50Hz 65 3.2. D¹ng ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi 71 KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 9
  10. LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay nƣớc ta là một nƣớc đang phát triển nên còn một số khó khăn về kinh tế, trình độ khoa học kỹ thuật. Vì vậy điện phục vụ cho đất nƣớc vẫn chủ yếu đƣợc sản xuất ra từ các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, một số ít đƣợc lấy từ năng lƣợng gió. Và vì trình độ khoa học kỹ thuật chƣa đáp ứng đủ nên nƣớc ta chƣa xây dựng đƣợc các nhà máy điện nguyên tử nhƣ các nƣớc phát triển trên thế giới. Cho nên ở nƣớc ta hiện nay ngành điện “ cung vẫn chƣa đáp ứng đủ cầu “ nên vẫn có các vùng không có điện và các vùng phải cắt điện luân phiên. Vì vậy em làm đồ án này với mục đích nghiên cứu và xây dựng bộ biến đổi cho phép khi mất điện lƣới ta vẫn có thể sử dụng năng lƣợng từ ắc quy để thắp sáng, cũng nhƣ để sử dụng một số vật dụng nhƣ quạt, tivi . Trong các bộ biến đổi Điện tử công suất không thể không nhắc tới các bộ biến đổi DC/DC, DC/AC. Các bộ biến đổi này ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động, tiết kiệm năng lƣợng và sử dụng khi mất điện lƣới nhƣ trình bày ở trên và đây cũng chính là đề tài của đồ án này: “ Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC/AC có điện áp ra 220V ,tần số 50Hz dạng hình sin” Thông số : UDC = 12V. UAC = 220V, f = 50Hz . Đồ án gồm 3 chƣơng: CHƢƠNG 1. CÁC BỘ NGHỊCH LƢU. CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC/AC TỪ 12VDC LÊN 220V AC, F=50Hz CHƢƠNG 3.XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ BỘ BIẾN ĐỔI. Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn cùng các thầy cô trong khoa đã hƣớng dẫn em hoàn thành đồ án này. Do đây là lần đầu tiên thực hiện làm đồ án nên không thể không mắc phải sai sót, em mong đƣợc sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô. Hải Phòng, ngày 19 tháng 8 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hiếu 10
  11. CHƢƠNG 1. CÁC BỘ NGHỊCH LƢU Nghịch lƣu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi đƣợc và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn điện một chiều thông thƣờng là điện áp chỉnh lƣu, acquy và các nguồn điện một chiều độc lập khác. Nghịch lƣu độc lập và biến tần đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhƣ cung cấp điện từ các nguồn độc lập nhƣ acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện kim Ngƣời ta thƣờng phân loại nghịch lƣu theo sơ đồ, ví dụ nhƣ nghịch lƣu một pha, nghịch lƣu ba pha. Ngƣời ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lƣu nhƣ: nghịch lƣu áp, nghịch lƣu dòng, nghịch lƣu cộng hƣởng. Ngoài ra còn nhiều cách phân loại nghịch lƣu nhƣng hai cách trên là phổ biến hơn cả. 1.1. NGHÞCH L¦U DßNG. 1.1.1. Nghịch lƣu dòng một pha. Nghịch lƣu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lƣu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thƣờng có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục. 1.1.1.1. Nguyên lý làm việc. Sơ đồ nghịch lƣu một pha đƣợc trình bày trên hình 1.1 sơ đồ cầu và hình 1.2 sơ đồ có điểm trung tính. Xét sơ đồ cầu : Các tín hiệu điều khiển đƣợc đƣa vào từng đôi tiristo T1, 0 T2 thì lệch pha với tín hiệu điều khiển đƣa vào đôi T3, T4 một góc 180 11
  12. Hình 1.1. Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha Hình 1.2. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính Điện cảm đầu vào nghịch lƣu đủ lớn Ld = ∞ do đó dòng điện đầu vào đƣợc san phẳng (hình 1.3), nguồn cấp cho nghịch lƣu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lƣu iN có dạng xung vuông. Khi đƣa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu đƣợc nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ t = t1 ngƣời ta đƣa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. 12
  13. Hình 1.3. Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha Quá trình chuyển mạch xảy ra gần nhƣ tức thời. Sau đó tụ C sẽ đƣợc nạp điện theo chiều ngƣợc lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính “ - ” ở bên trái, dòng nghịch lƣu iN = id = Id nhƣng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2 ngƣời ta đƣa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khóa lại và quá trình đƣợc lặp lại nhƣ trƣớc. Nhƣ vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4 , tiristo T1 và T2 sẽ bị khóa lại bởi điện áp ngƣợc của tụ C đặt lên ( hình 1.3). Khoảng thời gian duy trì điện áp ngƣợc t1 ÷ t1’ là cần thiết để duy trì quá trình khóa và phục hồi tính chất điều khiển của van và t1 - t1’ = tk ≥ toff ; toff là thời gian khóa của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. Trong đó : ω . tk = β là góc khóa của nghịch lƣu. 13
  14. 1.1.1.2. Ảnh hƣởng của phụ tải đối với chế độ làm việc của nghịch lƣu Ta xét trƣờng hợp Ld = ∞(điện cảm vô cùng lớn). Sơ đồ trên hình 1.2 có thể thay thế bằng sơ đồ hình 1.4. Từ sơ đồ thay thế có thể viết hệ phƣơng trình sau id = it + ic = Id = const dUC iC = C. (1) dt U t it = R t Hình 1.4. Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha. Giải hệ phƣơng trình trên đối với U(t) ta có: 1 Ut(A) = A1 + A2e Rt.C Để tìm hệ số A1 và A2 ta sử dụng các điều kiện sau: Điện áp trên tải có tính chất thay đổi chu kỳ nên: Ut | t 0 = - Ut| t T / 2 Giá trị trung bình của điện áp trên điện cảm Ld ở chế độ xác lập bằng không, tức là 1 T / 2 (E Ut)dt 0 T / 2 0 Giải các phƣơng trình trên ta tìm đƣợc: T T E (1 e 2RtC ) 4 A1 = T T T (1 e 2RtC ) RtC(1 e 2RtC ) 4 14
  15. T E 2 A2 = T T T (1 e 2Rtc ) RtC(1 e 2RtC ) 4 Thay các giá trị A1 và A2 vào (1.2) ta có : T t 2RtC RtC Ut(t) = E(1 e 2e ) T T 2 RtC 4RtC (1 e ) (1 e 2RtC) ) T Biểu thức (1.5) cho thấy điện áp trên tải biến thiên theo quy luật hàm mũ cơ số e. Khi thay đổi phụ tải nhƣ giảm dòng tải, dòng qua tụ sẽ ít thay đổi vì dUc Ic const (nguồn dòng) do đó điện áp trên tải sẽ có dạng là những đƣờng dt C gần tuyến tính, góc khóa β=ω.tk ≈ , với tk là thời gian khóa của nghịch lƣu. 2 Nghịch lƣu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải , vì nếu Rt → ∞ thì Ut→ ∞ và id→ ∞. Trên thực tế khi Rt lớn vô cùng thì điện áp trên tải cũng tiến đến giá trị rất lớn, do đó quá trình chuyển mạch không thể thực hiện đƣợc, cũng nhƣ không có thiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn nhƣ vậy Ngƣợc lại khi tăng phụ tải nghĩa là tƣơng đƣơng với việc giảm Rt, lúc này dòng nạp cho tụ sẽ giảm, ngƣợc lại dòng phóng của tụ qua tải sẽ tăng lên. Điều đó dẫn đến giảm năng lƣợng tích trữ trong tụ, dạng điện áp trên tải sẽ có dạng hình chữ nhật, nhƣng góc β cũng giảm đáng kể ảnh hƣởng tới quá trình chuyển mạch của nghịch lƣu. 1.1.1.3. Đặc tính của nghịch lƣu dòng: Nếu nguồn là nguồn dòng thì dạng dòng điện của nghịch lƣu iNL sẽ là dòng xoay chiều hình xung vuông góc.(hình 1.3). Phân tích theo chuỗi Foruier và lấy thành phần điều hòa bậc 1 ta có biên độ của sóng điều hòa bậc 1 ( sóng cơ bản) là: 1 2 2 4 Im(1) = iNL sin d Id sin d Id 0 0 15
  16. Giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản là: 2 2 I(1) = Id (1.10) Sơ đồ thay thế của nghịch lƣu nguồn dòng quy đổi về sóng điều hòa bậc 1 có dạng nhƣ ở hình 1.5a. Hình 1.5. a) Sơ đồ thay thế - b) Biểu đồ véc tơ Từ sơ đồ thay thế ta dựng đƣợc đồ thị véc tơ của nghịch lƣu dòng : I (1) = IC + It (1.11) Trong sơ đồ thay thế hình 1.5b UNL chính là Ut. Ut - Điện áp trên tải hay là điện áp ra của nghịch lƣu UNL. Nếu bỏ qua tổn hao trong nghịch lƣu và coi β là góc lệch pha giữa điện áp ra của nghịch lƣu và sóng cơ bản của dòng nghịch lƣu, theo định luật bảo toàn năng lƣợng, công suất phía xoay chiều sẽ bằng phía một chiều Pd = P1, tức là: E.Id = n.Ut.I(1).cos β (1.12) Thay (1.10) vào (1.12) ta có: E.Id = n.Ut.I(1).cos β (1.13) 1.1.2. Nghịch lƣu dòng ba pha. Trong thực tế nghịch lƣu dòng ba pha đƣợc sử dụng phổ biến vì công suất của nó lớn và đáp ứng đƣợc các ứng dụng trong công nghiệp. Cũng giống nhƣ nghịch lƣu dòng một pha nghịch lƣu dòng ba pha cũng sử dụng tiristo. 16
  17. Để khoá đƣợc các tiristo thì phải có các tụ chuyển mạch C1, C3, C5. Vì là nghịch lƣu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn dòng, vì vậy giá trị cuộn cảm Ld = ∞ Hình 1.6. Sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha Hình 1.7. Giản đồ xung của nghịch lưu dòng ba pha. Đảm bảo khoá đƣợc các tiristo chắc chắn và tạo ra dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện của các tiristo phải tuân theo đồ thị nhƣ trên hình 1.7. Qua đồ thị ta thấy mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ = 120 0 Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm. Trong nghịch lƣu nguồn dòng vì tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên giữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lƣợng, ảnh hƣởng này làm cho 17
  18. đƣờng đặc tính ngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lƣu dòng. Để làm giảm ảnh hƣởng của tải đến quá trình nạp của tụ C, ngƣời ta sử dụng điôt ngăn cách D1, D2, D3, D4, D5, D6 (trên hình 1.8). Việc sử dụng các điôt này đòi hỏi phía tụ chuyển mạch chia làm hai nhóm : Nhóm C1, C3, C5 dùng để chuyển mạch cho các van T1, T3, T5 . Nhóm C2, C4, C6 dùng để chuyển mạch cho các van T2, T4, T6 . Nghịch lƣu dòng nhƣ đã phân tích ở trên không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng mà còn phát ra công suất tác dụng vì dòng id không đổi hƣớng nhƣng dấu của điện áp hai đầu nguồn có thể đảo dấu. Điều đó có nghĩa là khi nghịch lƣu làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh. Hình 1.8. Nghịch lưu dòng ba pha có điôt ngăn cách 1.2. NGHÞCH L¦U ¸P. Nghịch lƣu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy ý. Nguồn áp vẫn là nguồn đƣợc sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lƣu áp có thể điều chế theo phƣơng pháp khác nhau để có thể giảm đƣợc sóng điều hòa bậc cao. 18
  19. Trƣớc kia nghịch lƣu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lƣu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thƣớc gọn nhẹ, do đó nghịch lƣu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và đƣợc chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lƣu áp trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý tƣởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không nên điện trở nguồn bằng không. 1.2.1. Nghịch lƣu áp một pha. 1.2.1.1. Cấu tạo. Sơ đồ nghịch lƣu áp một pha đƣợc mô tả trên hình 1.9. Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng về lƣới và nhƣ vậy tránh đƣợc hiện tƣợng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C đƣợc mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thƣờng đƣợc cấp bởi chỉnh lƣu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Nhƣ 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 1.2.1.2. Nguyên lý làm việc. Ở nửa chu kỳ đầu tiên (θ ÷ θ2 )cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải đƣợc đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải U1 = E, hƣớng dòng điện là đƣờng nét đậm. Tại thời điểm θ = θ2 ,T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ đƣợc đấu vào nguồn theo chiều ngƣợc lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = - E tại thời điểm θ2. Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hƣớng cũ (đƣờng nét đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm 19
  20. ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lƣợng thông qua D3, D4 về tụ C (đƣờng nét đứt ). Tƣơng tự nhƣ vậy đối với chu kỳ tiếp theo khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2. Đồ thị điện áp tải Ut, dòng điện tải it, dòng qua diode iD và dòng qua tiristo đƣợc biểu diễn trên hình 1.10. Biểu thức điện áp và dòng điện trên tải : Hình 1.9. Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha Hình 1.10. Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha 20
  21. Trên thực tế ngƣời ta thƣờng dùng nghịch lƣu áp với phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM để giảm bớt đƣợc kích thƣớc của bộ lọc. Nguyên lý của phƣơng pháp này sẽ đƣợc nghiên cứu ở phần sau. 1.2.2. Nghịch lƣu áp ba pha. Sơ đồ nghịch lƣu áp ba pha hình 1.11 đƣợc ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính. Để đơn giản hóa việc tính toán ta giả thiết nhƣ sau : - Giả thiết các van là lý tƣởng, nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều. - Van động lực cơ bản T1, T2, T3, T4, T5, T6 làm việc với độ dẫn điện λ = 180 0 , Za = Zb = Zc. Các điôt D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lƣợng về nguồn và tụ C đảm bảo nguồn cấp là nguồn áp đồng thời tiếp nhận năng lƣợng phản kháng từ tải. Ta xét cụ thể nguyên lý và luật điều khiển cho các tiristo nhƣ sau Hình 1.11. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha Hình 1.12. Luật điều khiển các tiristo 21
  22. Để đảm bảo tạo ra điện áp ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị nhƣ trên hình (1.12). 0 Nhƣ vậy T1, T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A. T3, T6 dẫn điện lệch nhau 180 để tạo ra pha B. T5, T2 dẫn lệch nhau 180 để tạo ra pha C, và các pha lệch nhau 120 Hình 1.13. Điện áp trên tải của mạch nghịch lưu Dạng điện áp trên các pha UZA, UZB, UZC có dạng nhƣ trên hình 1.13 và có giá trị hiệu dụng đƣợc tính bởi công thức sau : 2 1 2 2 U pha = U pha ( )d = E (1.14) 2 0 3 Suy ra: 2 U (t) = E sin .t (1.15) A 3 2 U (t) = E sin( .t - 120 ) (1.16) B 3 2 U (t) = E sin( .t 120 ) (1.17) C 3 ET Giá trị tụ C đƣợc tính theo công thức : C = t (1 2ln 2) (1.18) 3Rt U c 22
  23. 1.3. NGHÞCH L¦U CéNG H¦ëng. Đặc điểm cơ bản của nghịch lƣu cộng hƣởng là quá trình chuyển mạch của van dựa vào hiện tƣợng cộng hƣởng. Giá trị điện cảm không lớn nhƣ nghịch lƣu dòng ( Ld = ∞ ) và không nhỏ hơn nghịch lƣu áp ( Ld = 0 ), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tƣợng dao động . 1.3.1. Nghịch lƣu cộng hƣởng song song. Xét sơ đồ hình 1.14, khi t = 0 cặp van T1, T2 đƣợc mở ra. Tụ C đƣợc nạp qua mạch (+) → Ld → T1 →Zt → T2 → (-) Dòng nạp cho tụ sẽ có dạng hình sin vì mạch dao động cộng hƣởng Hình 1.14. a) Nghịch lưu cộng hưởng song song – b) Giản đồ xung Tại thời điểm ω.t = θ1 dòng đi qua tải giảm về 0 do đó T1 và T2 bị khóa lại. Trong khoảng thời gian từ θ1 đến θ2 tất cả các tiristo đề bị khóa lại và Lt = 0. Điện áp trên T1, T2 bằng nửa điện áp trên tụ Uc và điện áp nguồn E. Điện áp trên tụ trong khoảng thời gian θ1 ÷ θ2 phải lớn hơn nguồn E đảm bảo khóa T1 và T2 chắc chắn. Tại thời điểm ω.t = θ2 cặp van T3 và T4 đƣợc mở ra. Điện áp trên T1 và T2 bằng điện áp nghịch lƣu của tụ C đặt lên (= Uc), tụ đƣợc nạp theo chiều ngƣợc lại và đảo dấu. Dòng nạp của tụ C cũng mang tính dao động và giảm về 0 ở thời điểm θ4. Lúc này T3, T4 khóa lại. Dòng tiristo có thể coi la xung sin: It = Im. Sinω 0 .t 23
  24. 1.3.2. Nghịch lƣu cộng hƣởng nối tiếp. Sơ đồ gồm hai cuộn cảm L1 và L2 đƣợc quấn trên cùng một lõi thép để tạo ra hiện tƣợng cảm ứng, tụ C đƣợc mắc nối tiếp với tải. Các giá trị của L1, L2, C và Rt đƣợc chọn sao cho dòng qua tiristo là dòng dao động. Nghịch lƣu nối tiếp có ba chế độ làm việc : a) Chế độ khóa tự nhiên : f0 > f , dòng qua T1 giảm về không sau một thời gian mới mở T2, chế độ này tƣơng tự nhƣ chế độ làm việc của nghịch lƣu song song. Hình 1.15. Mạch nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp và sơ đồ thay thế. b) Chế độ giới hạn : f0 = f dòng qua T1 giảm về không thì T2 đƣợc mở ra vì vậy chế độ này đảm bảo dòng tải it và điện áp trên tải Ut là hình sin. c) Chế độ chuyển mạch cƣỡng bức: f0 < f khi T1 còn chƣa khóa đã kích xung mở cho T2. Sở dĩ nghịch lƣu nối tiếp có thể làm việc ở chế độ 2 và 3 là do hiện tƣợng cảm ứng của hai cuộn L1 và L2 Khi T1 còn đang dẫn đã mở cho T2, dòng phóng qua tụ C qua L2 và T2 sẽ gây nên hiện tƣợng cảm ứng trong cuộn L2. Sức điện động này có dấu chống lại sự tăng của dòng, tức là (+) ở bên trái và (-) ở bên phải. Do L1 và L2 quấn trên cùng một lõi thép nên sức điện động này cảm ứng nên L1. Nhƣ vậy T1 sẽ chịu một điện áp UT : UT = E - ( UL1 + UL2 ) Các tham số đƣợc chọn sao cho Ut < 0 nên T1 sẽ bị khóa lại. 24
  25. Nghịch lƣu chủ yếu làm việc ở hai chế độ trên. Nghịch lƣu nối tiếp làm việc với dải phụ tải thay đổi tƣơng đối rộng. Để giữ cho điện áp trên tải là không đổi khi phụ tải thay đổi, cần thay đổi tần số của xung điều khiển f . Chế độ f > f0 là chế độ mà nghịch lƣu cộng hƣởng làm việc nhƣ chế độ nghịch lƣu dòng điện. 1.4. nghÞch l¦u ®iÒu biÕn ®é réng xung pwm. Các bộ nghịch lƣu đã trình bày ở trên có điện áp ra có chứa nhiều sóng hài. Để nâng cao chất lƣợng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lƣu, bộ nghịch lƣu điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) đƣợc đƣa ra nghiên cứu và ứng dụng. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng của một bộ nghịch lƣu là mức độ gần sin chuẩn của điện áp và dòng điện đầu ra. Trong tất cả các bộ nghịch lƣu thì bộ nghịch lƣu điều biến độ rộng xung đƣợc đánh giá là bộ nghịch lƣu cho phép đƣa ra dạng sóng gần sin nhất. Nội dung cơ bản của kỹ thuật này là mỗi nửa chu kỳ dòng điện hay điện áp ra gồm nhiều đoạn hình chữ nhật có độ rộng thích hợp. Ƣu điểm của kỹ thuật này là : Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số cao do đó dễ lọc. Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khoá chuyển mạch trong một pha. Luật điều khiển của phƣơng pháp điều biến độ rộng xung PWM đƣợc sử dụng nhiều nhất là luật so sánh. Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ đƣợc so sánh với các xung hình tam giác. Tần số chuyển mạch của nghịch lƣu fcm bằng tần số xung tam giác fx có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang. Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lƣu. 25
  26. Hệ số điều biến biên độ đƣợc định nghĩa là: U dkm ma = (1.20) U xm Trong đó: Udkm: Biên độ của tín hiệu điều khiển Umx: Biên độ của tín hiệu xung tam giác Hệ số điều biến tần số là: f x mx = (1.21) f1 Xét một chu kỳ điện áp mang (hình 1.16) Khi xếp chồng udk và ux chúng cắt nhau tại các hoành độ và (2 - ). Các giao điểm của chúng quyết định giá trị trung bình của điện áp ra. 1 E 2 E 2 E E 2 Utb = d d d 1 (1.22) 2 0 2 2 2 2 2 Hình 1.16. Luật điều khiển 26
  27. Mặt khác ta có: 1 m 2 a 2U Do đó: tb m E a Qua biểu thức (1.24) ta thấy rằng : giá trị trung bình của điện áp ra trong một chu kỳ điện áp mang tỉ lệ với điện áp điều khiển. Nếu điện áp điều khiển có dạng hình sin thì Utb dạng hình sin. Ngƣời ta có thể điều chỉnh biên độ điện áp ra bằng cách tác động vào tỉ số Udkm /Uxm . Trên hình 1.17 biểu diễn sơ đồ khối điều khiển các tiristo của PWM. Từ sơ đồ cho ta thấy: hai tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiệu sóng mang Ux đƣa vào bộ so sánh. Khi hai điện áp này bằng nhau sẽ cho một xung, qua bộ chia xung ta đƣa tới để điều khiển các tiristo tƣơng ứng. Hình 1.17. Sơ đồ khối bộ điều khiển các van của PWM. Hình 1.18. Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực. 27
  28. Trên hình 1.17 biểu diễn phƣơng pháp tạo điện áp ra bằng so sánh điện áp điều khiển hình sin và điện áp tam giác cân. Ở hình 1.18 là cách tạo ra điện áp bằng các xung đơn cực (điện áp mang trong trƣờng hợp này chỉ có xung đơn cực dƣơng hoặc âm ). Trong khi đó hình 1.19 là phƣơng pháp tạo điện áp ra bằng các xung lƣỡng cực ( điện áp mang lúc này có xung với hai cực tính khác nhau ). Hình 1.19. Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực. Ƣu điểm của sơ đồ điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là tần số điện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển mạch thay đổi với trị số Ud so với 2Ud ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lƣỡng cực. Do tần số điện áp gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành phần sóng hài gấp đôi so với sơ đồ nghịch lƣu điều biến với chuyển mạch điện áp lƣỡng cực. 28
  29. CHƢƠNG 2 . XÂY DỰNG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC/AC TỪ 12VDC LÊN 220V AC, F=50Hz 2.1. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA BỘ BIẾN ĐỔI: Mạch bảo vệ Điều khiển Mạch điều khiển cầu H Đầu vào Udc= 12v Mạch nâng điện Mạch công Đầu ra Uac= 220v, f=50Hz áp từ 12v DC suất cầu H lên 220v AC, f=35k Hz Hình 2.1 Sơ đồ khối của bộ biến đổi 2.1.1. Các thông số và yêu cầu của bộ biến đổi nhƣ sau: Nguồn acquy 12v DC Công suất 100 W Điện áp đầu ra 220v AC/ f= 50Hz Ta chọn mạch nghịch lƣu độc lập nguồn áp một pha với các thông số trên. 2.1.2. Bộ biến đổi DC/ AC sẽ có các thành phần chính sau : 1- Mạch điều khiển nâng điện áp từ 12v DC lên 300v AC , f=35000 Hz Có nhiệm vụ phát xung vuông tạo dao động với tần số f=35 kHz cấp xung mở cho Mosfet dẫn. 2- Mạch chỉnh lƣu cầu Có nhiệm vụ chinh lƣu điện áp từ AC 300v , f=35kHz sang DC 300v. 3- Mạch điều khiển cầu H 29
  30. Có nhiệm vụ phát xung để điều khiển các Mosfet đóng, cắt với tần số f=50Hz. 4- Mạch công suất cầu H Có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ DC 300v sang AC 220v , f= 50 Hz. 5- Các mạch bảo vệ quá dòng, thấp áp, quá nhiệt Có nhiệm vụ bảo vệ bộ biến đổi khi xảy ra các sự cố nhƣ quá dòng, thấp áp, quá nhiệt. 2.2. Thiết kế mạch nâng điện áp từ DC 12v lên AC 300v, f= 35kHz 2.2.1. Giới thiệu về IC TL494 Trong mạch điều khiển bộ nghịch lƣu ta hoàn toàn có thể sử dụng cá mạch riêng rẽ ghép lại với nhau. Mỗi một mạch sẽ thực hiện một khâu riêng: có thể là tạo xung, so sánh hoặc là một khâu khuếch đại. Tuy nhiên điều này sẽ làm cho mạch trở nên cồng kềnh, tăng chi phí cho sản phẩm, hơn nữa việc dùng nhiều các phần tử nhƣ vậy sẽ làm cho mạch thiếu tính ổn định. Điều này rất quan trọng đối với một mạch điên tử công suất. Dựa trên nguyên lý điều khiển chung nhƣ đã trình bầy ở trên , hiện nay các hãng đã chế tạo ra IC chuyên dụng điều biến độ rộng xung PWM dùng cho các nguồn chuyển mạch. Chúng đã tạo ra đƣợc một cuộc cách mạng trong việc chế tạo các nguồn chuyển mạch Hình 2.2. Sơ đồ chân IC TL494 Ngoài IC TL494 trên thị trƣờng hiện nay còn có một số loại IC chuyên dụng điều biên độ xung nhƣ LT1524, SG3524, HCF4047B, HCC4047B, SG3525, CD4047BC. 30
  31. Loại IC chuyên dụng này có nhiều ƣu điểm vƣợt trội nhƣ: Làm việc với dải điện áp rộng: 7,0v ÷ 40v đối với TL494, 3,0v ÷ 18v với HCC4047B. Có khả năng chống nhiễu cao. Hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ khá rộng : - 40 0 C ÷ 85 0 C với IC TL 494. Tạo đƣợc sóng ra với tần số khá cao 300kHz. Tiêu thụ năng lƣợng rất thấp 100 mW. Mỗi hãng chế tạo các IC này có đôi chút khác nhau song sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng đều có những điểm giống nhau cơ bản và đƣợc trình bày ở hình dƣới. Do vậy trong thiết kế mạch điều khiển bộ nghịch lƣu hoàn toàn có thể thay thế các IC này cho nhau khi cần thiết. 31
  32. Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC chuyên dùng TL 494 2.2.2. Nguyên lý hoạt đông mạch tạo xung dao động tần số 35kHz. _ Xung vuông với tần số f=35kHz đƣợc tạo ra từ IC TL494 đƣợc đƣa vào chân G của 2 MOSFES Q3, Q4 ( IRF 3205 ) qua R14= R53= 10Ω, và diode D1, D2. 32
  33. Q3 R14 IRF3205 10R R46 D2 1k 1N4006 R5 C3 Q2 R8 2N3703 4.7k 10k C2 112n R6 R9 112n U1 10k 1k 14 3 CLK Q0 R2 13 2 E Q1 4 D1 Q2 100k 7 Q3 10 Q4 R1 R3 1 1N4006 Q5 5 Q4 8 Q6 10k 12k Q1 6 IRF3205 Q7 2N3703 R53 9 16 Q8 11 C1 Q9 10R 15 12 MR CO R7 C4 R10 15k 1n 112n TL494 1k R4 750k Hình 2.4. Sơ đồ mạch tạo xung dao động tần số f= 35kHz. IC TL494 đƣợc cấp nguồn 12vDC từ bình Acquy qua trở R= 1Ω trƣớc khi cấp vào IC. Do khi mạch hoạt động điện áp cấp cho IC sẽ dao động không ổn định. Để cho IC hoạt động với một điện áp ổn định và không quá cao, ta mắc song song một tụ điện có điện dung là 2000μF/16v và diode mắc song ngƣợc với nguồn trƣớc khi cấp cho IC. Để tạo ra tần số f=35kHz tại chân 5 của IC TL494 ta mắc tụ điện có điện dung là C4= 1uF, chân số 6 của IC đƣợc mắc trở có điện trở là R7= 15KΩ và đƣợc nối xuống mát . Xung vuông ra với tần số f=35kHz tại chân số 9 và 10 của IC. Xung này sẽ đƣợc đƣa vào chân G của 2 MOSFES IRF 3205 qua diode vào R14= R53= 10Ω. 33
  34. 2.2.3. Cấu tạo và nguyên lý điều khiển của MOSFES. Hình 2. 5. Cấu trúc bán dẫn của Mosfet Khác với cấu trúc của BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ. Trong đó cực G là cực điều khiển đƣợc cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhƣng có độ cách điện cực lớn dioxide-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D. Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện là điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dƣơng so với cực gốc. Cấu trúc bán dẫn Mosfes kiểu p cũng tƣơng tự nhƣng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngƣợc lại. Tuy nhiên đa số các Mosfes công suất là loại kênh dẫn kiểu n. Một trong các ƣu điểm khi dùng Mosfes là tần số đóng cắt lớn, mạch điều khiển đơn giản vì Mosfes điều khiển bằng điện áp, dòng điện điều khiển hoàn toàn cách ly với dòng dẫn trên cực máng do đó khi Mosfet dẫn không cần dòng điện duy trì nhƣ đối với transitor lƣỡng cực. Một thông số quan trọng của Mosfes công suất đó là tồn tại điện trở tự nhiên bên trong Mosfet. Điện áp rơi trên cực máng D và cực gốc S tỉ lệ tuyến tính với dòng trên kênh dẫn. Mối liên hệ đó đƣợc đặc trƣng bởi thông số RDS(on) đƣợc ghi trong các datasheet của Mosfes. 34
  35. Điện trở RDS(on) là hằng số tƣơng ứng với một điện áp Vgs nhất định và nhiệt độ nhất định của Mosfet. Khi dòng điện qua Mosfet tăng thì nhiệt độ trên lớp bán dẫn tăng và do đó điện trở RDS(on) cũng tăng theo. Hình 2.6. Kí hiệu quy ước và hình dáng của Mosfet 2.2.4.Các thông số của Mosfes công suất. Khi ứng dụng Mosfet trong các thiết bị điện tử công suất thì thông số quan trọng nhất mà ta quan tâm đến đó là thời gian đóng cắt của Mosfes, thông thƣờng thời gian đóng cắt của Mosfet từ 10ns – 60ns. Bên cạnh đó còn có các thông số quan trọng khác nhƣ: Điện áp lớn nhất trên hai cực D, S của Mosfet : VDS(max) (V). Dòng điện lớn nhất mà van chịu đƣợc : ID (A). 35
  36. Điện trở trong của van : RDS(ON) ( Ω ) Dải nhiệt độ hoạt động của van. Các thông số này rất quan trọng khi ta thiết kế mạch điều khiển van. 2.2.5. Quá trình mở và khóa của Mosfes Khi cấp vào cực G (Gate) của Mosfes một điện áp thông qua mạch Driver thì quá trình mở Mosfes đƣợc thể hiện trong đồ thị sau: Hình 2.7. Quá trình mở của Mosfes 2.2.6. Quá trình mở của Mosfes. Giai đoạn thứ nhất: Điện dung đầu vào của Mosfes đƣợc nạp từ điện áp 0V đến giá trị UTH, trong suốt quá trình đó hầu hết dòng điện vào cực G đƣợc nạp cho tụ CGS, một lƣợng nhỏ nạp cho tụ CGD. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình mở trễ bởi vì cả dòng ID và điện áp trên cực D (Drain) đều không đổi Sau khi cực G đƣợc nạp tới giá trị điện áp giữ mẫu UTH, mosfet sẵn sàng để dẫn dòng điện. Giai đoạn thứ hai: Điện áp cực G tiếp tục tăng từ UTH đến giá trị UMiller đây là quá trình tăng một cách tuyến tính; dòng điện ID tăng tỉ lệ với điện áp của cực G trong khi đó điện áp giữa hai cực UDS vẫn giữ nguyên giá trị. Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giữ nguyên ở mức điện áp Miller VGS,Miller trong khi đó điện áp trên cực D bắt đầu giảm. Dòng điện ID trên Mosfet giữ nguyên ở một giá trị nhất định. 36
  37. Giai đoạn thứ tƣ: Đây là giai đoạn Mosfes dẫn bão hòa khi cấp một điện áp cao UDRV (giá trị của UDVR nằm trong khoảng 10÷20V ) vào cực G của Mosfet. Giá trị cuối cùng của VGS sẽ quyết định điện trở trong RS(ODN) của van trong quá trình mở. Do đó trong giai đoạn thứ tƣ điện áp trên cực Gate tăng từ giá trị UMiller đến giá trị của mạch Driver UDRV. Trong khi đó điện áp giữa cực D, S (UDS) giảm mạnh gần về giá trị 0V, dòng điện ID giữ không đổi. 2.2.7. Quá trình khóa của Mosfes. Hình 2.8. Quá trình khóa của Mosfes Quá trình khóa của mosfet cũng đƣợc chia làm bốn giai đoạn : Giai đoạn thứ nhất: Là quá trình xả điện tích trên tụ CGS,DS từ giá trị ban đầu đến giá trị miller, điện áp trên cực D của Mosfes bắt đầu tăng dần nhƣng rất nhỏ, dòng điện trên cực D ( ID) không đổi. Giai đoạn thứ hai: Điện áp giữa hai cực D - S của Mosfes sẽ tăng từ giá trị UDS = ID.RDS(on) tới giá trị cuối UDS(off). Trong suốt giai đoạn này dòng điện trên cực D vẫn giữ không đổi. Dòng điện của cực G hoàn toàn là dòng xả của tụ trên các cực của Mosfes. 37
  38. Giai đoạn thứ ba: Điện áp cực G giảm từ giá trị Miller đến giá trị giữ mẫu UTH. Phần lớn dòng điện xả trên cực G là phóng trên tụ CGS. Giai đoạn này điện áp UGS và dòng điện ID đều giảm tuyến tính. Trong khi đó điện áp UDS vẫn giữ nguyên giá trị U (DSOFF). Giai đoạn thứ tƣ: Giai đoạn này là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện trên các cực của Mosfes, UGS giảm đến giá trị 0V. Dòng điện trên cực D giảm về giá trị 0 và không đổi. Tóm lại quá trình mở - khóa của Mosfes là quá trình chuyển mạch giữa trạng thái trở kháng cao và trạng thái trở kháng thấp đƣợc thực hiện trong bốn giai đoạn. Độ dài khoảng thời gian của các giai đoạn đƣợc quyết định bởi giá trị điện dung giữa các cực, điện áp đặt vào cực điều khiển, và dòng điện nạp xả của các tụ điện trên cực G. Đây là thông số quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfes trong các ứng dụng có tần số đóng cắt lớn. 2.3. Mạch lái Mosfes. Mạch khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở transitor. Sự phù hợp ở đây là phù hợp về công suất và cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi mạch động lực có điện áp cao. Tín hiệu lái van sẽ đƣợc cấp từ IC điều khiển. Vấn đề cách ly giữa mạch lực với mạch điều khiển là không cần thiết do mạch lực có điện áp thấp. 38
  39. Hình 2.9. Mạch lái Mosfet. Trong nửa chu kỳ tiếp đầu cặp van Q1, Q2 mở với độ rộng xung nhất định cặp van Q2, Q4 khóa, dòng điện đi từ VDC qua van Q1, và Q2 rồi xuống 0V. Trong các chu kỳ sau thực hiện tƣơng tự, ta đƣợc dạng điện áp ra trên tải là dạng bậc thang. Tần số đóng cắt của các cặp van đƣợc điều khiển sao cho bằng tần số của nguồn điện lƣới là 50Hz Hình 2.10. Dạng điện áp đầu ra của mạch . Độ rộng xung của một cặp van đƣợc tính toán sao cho điện áp trung bình trên tải Ura = 220VAC. Giới thiệu linh kiện: 39
  40. MOSFES IRF 3205: Hình 2.11. Hình dáng thật và các thông số cơ bản của MOSFES IRF 3205. _ Các thông số cơ bản: - Điện áp chịu đựng : VDSS = 55v. - Điện trở khi mở giữa chân D – S :RDS(on)= 8,0mΩ. - Dòng chịu đựng qua chân D – S : ID = 110A. 2.4. Mạch khuếch đại đẩy kéo ( push-pull ). 2.4.1. Giới thiệu về mạch push-pull [9]. Nguyên lý mạch đẩy kéo dạng xung dòng, áp đƣợc trình bày nhƣ sau: Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý mạch Push-pull và đồ thị các dạng xung. a) Sơ đồ nguyên lý b) Xung điện áp VDS của van Q1) Xung điện áp VDS của van Q2 Sơ đồ gồm một máy biến áp với một hoặc nhiều cuộn thứ cấp. Cuộn thứ 40
  41. cấp cung cấp một cặp xung vuông lệch nhau 1800 mà biên độ của nó đƣợc xác định bởi số vòng dây cuộn thứ cấp. Hai van động lực Q1 và Q2 là loại mosfet. Khi hai van mở sẽ làm điện áp rơi trên cuộn sơ cấp giảm đi một lƣợng là VDS ( là điện áp rơi trên hai cực D và S của van). Điện áp VDS phụ thuộc vào nội trở RDS-on của van khi dẫn và dòng chảy qua van. Khi một trong hai van mở nó sẽ đặt một xung áp hình vuông có trị số Vg - VDS đến nửa cuộn sơ cấp Hình 2.13. Dạng sóng điện áp ra. 2.4.2. Nguyên nhân sự lựa chọn đẩy kéo cho bộ biến đổi điện áp. Để nâng điện áp từ điện áp acquy lên thành điện áp cao có thể dùng rất nhiều mạch biến đổi nhƣ là: bộ Push-pull nhƣ đã trình bày ở trên, bộ Half bridge, bộ Full-bridge, hay bộ Flyback Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý mạch Half bridge. 41
  42. Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý mạch Full bridge Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý mạch Flyback Tuy nhiên bộ Flyback chỉ dùng cho mạch công suất bé dƣới 100W. Với cùng một lõi biến áp thì bộ Half bridge và bộ Full bridge có công suất cao hơn so với bộ Push -pull. Nhƣng trong mạch Half bridge thì cần có thêm hai tụ và vì điện áp trên cuộn dây chỉ bằng nửa điện áp nguồn cấp cho nên với cùng một điện áp ra cuộn thứ cấp trong biến áp của bộ Half bridge có số vòng dây lớn gấp đôi của bộ Push pull. Bộ Full bridge khắc phục đƣợc nhƣợc điểm có số vòng thứ cấp lớn của bộ half bridge nhƣng nó cần tới 4 Mosfet trong mạch lực, khiến mạch trở nên phức tạp, cồng kềnh, tăng chi phí cho sản phẩm. Với công suất không lớn (150W) ta sẽ sử dụng mạch push pull là hợp lý, vì mạch này tuy có tới hai cuộn sơ cấp nhƣng cuộn sơ cấp có số vòng nhỏ nên sẽ kinh tế hơn . 42
  43. 2.5. Thiết kế mạch chỉnh lƣu cầu D5 1N4007 TR1 D6 1N4007 C15 D7 47u 1N4007 D16 1N4007 TRAN-2P3S Hình 2.17. Mạch chỉnh lưu cầu. 2.5.1. Để biến đổi điện áp AC/DC ta dùng các mạch chỉnh lƣu. Có một số mạch chỉnh lƣu một pha nhƣ : _ Chỉnh lƣu nửa chu kỳ. _ Chỉnh lƣu cả chu kỳ _ Chỉnh lƣu cầu một pha. Để phù hợp với yêu cầu thiết kế của mạch ta chọn chỉnh lƣu cầu 1 pha vì chất lƣợng điện áp ra là tốt nhất. 2.5.2. Nguyên lý hoạt động: _ Tại nửa chu kỳ đầu : đầu ra trên của Biến áp xung có (+) đầu dƣới có (-) Đầu trên của biến áp có (+) đi qua D5 rồi đƣợc nạp vào tụ C15 mắc song song với đầu ra. Đầu ra dƣới của biến áp có (-) đi qua D7 rồi nạp vào tụ _ Tại nửa chu kỳ sau đầu ra trên của biến áp xung có (-) đầu ra dƣới có (+) Đầu trên có (-) đi qua D6 rồi nạp vào tụ. Đầu ra dƣới có (+) đi qua D16 rồi vào tụ. _ Tại đẩu ra của cầu chỉnh lƣu ta lắp 1 tụ C15= 47µF song song với đầu ra để san phẳng điện áp ra năng cao chất lƣợng chỉnh lƣu. 43
  44. 2.6. Mạch điều khiển cầu H 2.6.1. Giới thiệu linh kiện: IC HA17555: Hình 2.18. Hình dáng và cấu tạo nguyên lý của IC HA 17555. - Các thông số cơ bản của IC: - Điện áp lớn nhất : Vcc = 4,5v ÷ 16v. - Dòng tiêu thụ : IT = 3mA ÷ 6mA tại 5v. IT= 10mA ÷ 15mA tại 15v. - Nhiệt độ chịu đựng : -20 0 C ÷ 70 0 C. IC CD4013 Hình 2.19. Hình dáng của IC CD 4013BE 44
  45. Hình 2.20. Sơ đồ chân và bảng trạng thái của IC CD4013BE _ Các thông số cơ bản: - Điện áp nguồn vào : Vcc = 3v ÷ 15v. - Nhiệt độ chịu đựng : -40 0 C ÷ 85 0 C. - Dòng tiêu thụ IT = 4mA tại 5v. IT = 8mA tại 10v. C1815 Hình 2.21. Hình dáng và cấu tạo của Transistor C1815. 45
  46. - Các thông số cơ bản: - Điện áp giữa 2 cực B và cực C : VCB = 60v. - Công suất : PCM = 0,4W. - Dòng điện đi qua cực C và E : ICM = 0,5A. - Nhiệt độ chịu đựng : -55 0 C ÷ 150 C. IC 7805 Hình 2.22. Hình dáng và cấu tạo của IC 7805. - Các thông số cơ bản: - Điện áp vào VIN = 7v ÷ 20v , điện áp ra VOUT = 4,8v ÷ 5,2v. - Dòng điện ra IOUT = 5mA ÷ 1 A. Nhiệt độ chịu đựng -65 C ÷ 150 C U4 7805 R22 3 1 VO VI 4.7k D N G 2 C9 R21 Q5 R20 2N3393 U5:A 10k 6 U2 100k 8 5 1 100u S D Q 4 3 3 R C Q R24 CLK C V R23 10k 7 2 DC 10k Q C7 R 5 CV 4 4013 112n R19 D 10k C8 2 N 6 TR TH Q6 G 2N3393 330n 1 555 U5:B 8 9 13 D S Q 11 CLK U3 8 12 Q R 4 3 C R Q 0 C 1 4013 V R17 R18 7 C5 DC 100k 100k 5 CV C6 10u D 2 N 6 330n TR TH G 1 555 R15 R16 1k 1.6M Hình 2.23. Mạch điều khiển cầu H. 46
  47. 2.6.2. Nguyên lý hoạt động: U2 trong mạch là IC HA17555 dùng để tạo xung nhịp vuông với tần số f=100Hz. _ Chân 2 của IC nối với tụ C8=100nF xuống mát. _ Chân 2 nối vào chân 6 của IC rồi qua điện trở R19=10KΩ đi vào chân 7. _ Chân 7 đƣợc nối với nguồn + 5v qua R20= 100Ω. _ Chân 4 nối với chân 8 lên nguồn + 5v. _Đầu ra của IC tại chân 3 là xung nhịp vuông với tần số f= 100Hz. U3 trong mạch là IC HA17555 có nhiệm vụ tạo độ rộng xung để ổn áp điện áp ra cho cầu H luôn luôn là 220v AC , f=50Hz khi không tải và khi có tải. _ Chân ra 3 của IC HA17555 đƣợc nối với chân 2 và chân 4 của U3. _ Chân 6 và chân 7 đƣợc nối với nhau và nối với tụ C6= 330nF xuống mát. _ Chân 7 qua R17=147KΩ về mát. _ R16 = 1,6 MF đƣợc nối với chân 7 và chân 6 để phản hồi điện áp + 300v, khi điện áp phản hồi về chân 6 và 7 giảm dẫn đến độ rộng xung của chân 3 tăng và ngƣợc lại khi điện áp tăng thì độ rông xung giảm để đảm bảo điện áp ra của cầu H là 220v AC không đổi. IC CD4013 là flip-flop D trong mạch có 2 phần tử là U5a và U5b. _ Chân 3 của U3 (IC HA17555) đƣợc đƣa vào chân C của transistor C1815 qua R21=10 KΩ. _ Chân E của Transistor Q5 (C1815) đƣợc nối xuống mát. _ Tín hiệu từ chân 3 của U3 qua Q5 để khuếch đại điện áp từ + 5v lên + 12v cấp vào chân CLK của IC CD4013 U5a và U5b. _ Q6 là transistor C1815 có nhiệm vụ là phần tử đảo tín hiệu của Q5. _ Chân C của Q6 nối với chân CLK của U5a. _ Đầu ra của U5a tại chân 1 ( chân Q) đƣợc đƣa vào cực B của transistor Q10 C1815 qua R28= 10KΩ. _ _ Chân 2 ( chân Q ) của U5a đƣợc cấp cho chân B của transistor Q9 C13003 ( đây là transistor dùng cho điện áp cao). 47
  48. _ Chân 13 ( chân Q) của U5b cấp vào cực B của Q7 (C13003) qua R25= 10KΩ. _ _ Chân 12 ( chân Q ) của U5b cấp vào chân B của Q8 C1815 qua R26= 10KΩ. _ Việc nối mạch nhƣ trên để cho U5a, U5b có thể phát cung điều khiển các MOFES của cầu H dẫn. U5a điều khiển 2 MOSFES Q16, Q17 không dẫn đồng thời tại một thởi điểm. U5b điều khiển cho 2 MOSFES Q15, Q18 không dẫn đồng thời tại một thởi điểm. 2.7. MẠCH CÔNG SUẤT CẦU H 2.7.1. Giới thiệu linh kiện: _4 MOSFES : Q15, Q16, Q17, Q18 đều là các MOSFES IRF 740 đƣợc mắc theo hình chữ H. Giới thiệu IRF 740 Hình 2.24. Hình dáng và cấu tạo của IC IRF 740. _ Các thông số cơ bản - Điện áp chịu đựng VDSS = 400v. - Dòng điện ID = 10A - Điện trở chân D và chân S ( lúc mở ) : RDS(ON) = 0,55Ω. 48
  49. _Giới thiệu về cầu H ( half bridge): Mạch cầu H đƣợc cấu tạo bởi 4 transitor hay là MOSFES . Đôi khi mạch cầu H cũng đƣợc cấu tạo bởi 2 transitor hay MOSFES. Tác dụng của transitor và MOSFES là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn. Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải. Hiểu nhƣ thế này tín hiệu điều khiển của mình là nhỏ thƣờng là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V , mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn. Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải. Nên thế mới dùng mạch cầu H Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay đƣợc dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp. Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản. Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn. 2.7.2. Mạch công suất cầu H. D11 1N4007 D12 C11 D8 1N4007 R29 D19 C12 Q15 4.7k Q16 10u 1N4007 Q9 1N4007 10u R31 IRF640 R33 R27 R25 Q7 13001 100R 100R R30 10k 10k R32 R34 4.7k IRF640 47k 47k 13001 R35 Q18 R36 2k Q17 2k D10 IRF640 D9 R371N4007 R381N4007 IRF640 Q10 100r 100r R42 R28 R26 Q8 1r 2N3393 10k 10k 2N3393 Hình 2.25. Mạch công suất cầu H. 2.7.2. Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H: _ Chân D của Q15 đƣợc nối với chân D của Q16 và nối vào + 300v DC. _ Chân S của Q16 đƣợc nối với chân D của Q17 nối ra đầu ra 220v AC/ 50Hz. _ Chân S của Q17 đƣợc nối với chân S của Q18 qua R42=2Ω về mát. 49
  50. _ Chân D của Q18 đƣợc nối với chân S của Q15 nối ra đầu ra 220v AC/ 50Hz. _ Tín hiệu điều khiển đƣợc lấy từ mạch điều khiển cầu H qua 2 flip-flop U5a, U5b. Đầu ra Q và Q đảo luôn luôn cho ra tín hiệu ngƣợc nhau vì vậy sẽ có các cặp transistor Q8, Q9 cùng dẫn và Q7, Q10 không dẫn, dẫn đến MOSFES Q16, Q18 dẫn và Q15, Q17 không dẫn. Tạo ra ở chân S của Q16 có + 220v và chân D của Q18 có ( - ). _ Tƣơng tự nhƣ trên nửa chu kỳ sau Q7 và Q10 dẫn, Q8 và Q9 không dẫn nên MOSFES Q15 và Q17 dẫn , Q16 và Q18 không dẫn. Tạo ra ở chân S của Q15 có +220v, chân D của Q17 có ( - ). _ Chu kỳ trên đƣợc lặp lại với tần số đóng, mở MOSFES là 50Hz nên ta có ở đầu ra của cầu H là điện áp 220v AC/ 50Hz. _ IC U3 HA17555 điều chỉnh độ rộng xung đƣa vào điều khiển 2 flip-flop U5a và U5b dẫn đến điều chỉnh độ rộng xung vào các MOSFES Q15, Q16, Q17, Q18 nên điệp áp ra ở cầu H luôn luôn ổn định là 220v AC mặc dù điện áp đầu vào IC là 300v DC. 2.8 CÁC MẠCH BẢO VỆ QUÁ DÒNG, THẤP ÁP, QUÁ NHIỆT Giới thiệu linh kiện IC LM 339 (U8) R16 10k R17 R29 R14 10k 10k 10k R25 R18 R27 10k 100k 10k R26 U8:A U8:B 10k 3 3 3 3 1N4006 D4 D5 D6 7 5 9 1N4006 11 1 2 14 13 6 1N4006 4 8 10 R28 R23 R12 R13 U8:C U8:D 2 2 2 2 1 1 1 1k 100R 1 10k 10k R15 LM339 LM339 LM339 LM339 3.3k R20 R21 SS 10k 10k 10k 1N4006 D3 C5 R19 R22 10k 10k 22u Hinh 2.26. Các mạch bảo vệ quá dòng, thấp áp, quá nhiệt 2.8.1. Bảo vệ quá dòng: _ Để bảo vệ quá dòng ta sử dụng phần tử KĐTT U8a. 50
  51. _ Chân 6 đƣợc nối với 2 điện trở R14= 10KΩ,R15=5KΩ, chức năng làm cầu phân áp cho chân 6. _ Chân 7 nối với điên trở R12= 1KΩ và tụ C5= 22μF. Tụ C5 đƣợc nối với mát và điện trở R12 đƣợc nối với 2 cực S của 2 MOSFES Q17 và Q18 .Khi có tải lớn sinh ra sụt áp trên R42= 2Ω tại đầu vào chân 6 dẫn đến điệp áp tại chân 6 nhỏ hơn điện áp tại chân 7 => U8a sẽ hoạt động nên ở chân 1 sẽ có điệp áp ra là 12v cấp vào chân 11 của U8d ( LM 339 ). _ Chân 10 của U8d đƣợc nối qua cầu phân áp của 2 điện trở R19= R20= 10KΩ => điện áp vào chân 10 sẽ là 6v, nhỏ hơn điện áp vào chân 11 là 12v, nên chân 13 của U8d sẽ có +12v. _ R26= 47KΩ phản hồi về chân 11 làm cho chân 13 đƣợc duy trì ở trạng thái luôn ( + ) cấp vào chân 4 của U1( TL 494 ) làm khoá xung dao động dẩn đến U1 không làm việc nên không có xung mở cho 2 MOSFES Q3, Q4 nên Q3, Q4 không làm việc => không có điện áp ra. 2.8.2. Bảo vệ thấp áp: _ Để bảo vệ thấp áp ta sử dụng phần tử KĐTT U8c. _ Chân 9 đƣợc nối vào nguồn +5V qua R16= 10KΩ. _ Chân 8 đƣợc nối vào nguồn +12v qua cầu phân áp R21= R22= 10KΩ, nên điện áp vào chân 8 sẽ là +6v. _ Khi điện áp của ACQUY= 12v thì điện áp tại chân 8 lớn hơn điện áp tại chân 9 => nên đầu ra chân 14 không có điện. _ Khi điện áp của ACQUY dƣới 10v dẫn đến điện áp tại chân 8 qua cầu phân áp sẽ là dƣới 5v, nhỏ hơn điện áp 5v vào chân 9 => phần tử KĐTT U8c hoạt động => chân 14 có điện áp +12v, cấp vào chân 11 của U8d làm cho chân 13 của U8d lên ( + ) cấp vào chân 4 của U1( TL 494 ) làm khoá xung dao động dẩn đến U1 không làm việc nên không có xung mở cho 2 MOSFES Q3, Q4 nên Q3, Q4 không làm việc => không có điện áp ra. 51
  52. 2.8.3. Bảo vệ quá nhiệt: _ Để bảo vệ quá nhiệt ta sử dụng phần tử KĐTT U8b. _ Chân 5 đƣợc mắc vào nguồn +5v qua cầu phân áp R19= R20= 10Ω, nên điện áp vào chân 5 sẽ là 2,5v. _ Cảm biến sensor nhiệt có trị số là 10KΩ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở sẽ giảm tử 10KΩ xuống. _ Chân 4 của U8b nối với điện trở R17= 4,7 KΩ và nối vào 1 chân của sensor nhiệt, chân còn lại của sensor nhiệt đƣợc nối xuống mát. _ Khi nhiệt độ tăng làm điện trở của sensor giảm, khi điện trở giảm đến dƣới giá trị 4,7KΩ thì điện áp tại chân 5 lớn hơn điện áp tại chân 4 nên đầu ra tại chân 2 có điện áp là 12v cấp vào chân 11 của U8d, lúc này điện áp tại chân 11 lớn hơn điện áp tại chân 10, làm cho phần tử KĐTT U8d làm việc => chân 13 của U8d lên +12v cấp vào chân 4 của U1( TL 494 ) làm khoá xung dao động dẩn đến U1 không làm việc nên không có xung mở cho 2 MOSFES Q3, Q4 nên Q3, Q4 không làm việc => không có điện áp ra. 2.9. Tính toán mạch động lực. Mạch động lực của bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cho tải. Điện áp xoay chiều tần số f = 50 Hz trên cuộn thứ cấp biến áp động lực đƣợc lọc qua bộ lọc LC sau đó đƣa vào tải. Từ thông số mạch nghịch lƣu nhƣ sau: P = 100 W VAC = 300V Tần số của điện áp ra là : f= 35kHz. Dòng điện trên tải : Id ≤ 200/300 ≈ 0,66 A. Nhƣ vậy với yêu cầu thực tế về các thông số mạch ta chọn van động lực loại transitor trƣờng công suất kênh N(Mosfet ): IRF 3205 với các ƣu điểm nhƣ sau: Tốc độ đóng cắt nhanh. Điện trở trong rất nhỏ RDS(on) = 8,0mΩ. Điện áp chịu đựng VDSS = 55v. Dòng chịu đựng ID = 110A. 52
  53. Tích hợp diode (DDS) xả trên van. Hình 2.27. Hình dáng thực và kí hiệu của Mosfet FQA10N60C. Hình 2.28. Sơ đồ động lực của mạch biến đổi điện áp DC /AC 53
  54. 2.10. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ QUẤN BIẾN ÁP XUNG 2.10.1) Một số Hình dạng BA xung 1) Kiểu 1: 2) Kiểu 2: 54
  55. Hình 2.29. Một số hình dạng Biến Áp Xung Các kiểu lõi Ferrite : Hình 2.30. Các kiểu lõi Ferrite 2.10.2) Tính toán thông số cho BA 1) Cách chọn lõi : kiểu lõi và kích thƣớc lõi đƣợc chọn dựa vào thông số sau : Ae : diện tích mặt cắt ngang (diện tích hình trụ ở giữa) (mm2) Aw : vùng quấn dây (mm2) Bsat : mật độ từ thẩm bão hòa ( Tesla) . Thƣờng chọn 0.3 ~ 0.35 T Ae và Aw đƣợc thể hiện bằng hình màu vàng Hình 2.31. Kết cấu lõi thép 55
  56. 1 hệ số quan trong cần lƣu ý đó là Lm (primary side inductance), đƣợc xác định : VDC .Dmax Im = 2Pin.fs.KRF Trong đó: Pin : công suất ngõ vào lớn nhất. Đƣợc xác định bởi : P0 Pin = E ff Po : công suất ngõ ra lớn nhất. Eff : hiệu suất, thƣờng chọn trong khoảng 0.7~0.85. min VDC : Điện áp DC vào nhỏ nhất fs: Tần số làm việc KRV: Hệ số gợn sóng + Đối với chế độ dẫn điện không liên tục (discontinuous con- duction mode : DCM) thì KRV = 1 Đối với chế độ dẫn điện liên tục (continuous con - duction mode: CCM) thì KRV < 1, KRV = 0.4 - 0.8 cho bằng ngõ vào Châu Âu (195V - 265Vrms) Dmax: Chu trình làm việc lớn nhất, đƣợc thể hiện nhƣ hình sau: Hình 2.32. Đồ thị điện áp Chỉ số Lm đƣợc chọn dựa vào các đặc điểm sau : l Ipeak I ds EDC 2 56
  57. 2 2 l D Ipeak 3 I max ds EDC 2 3 Pin where IEDC = min VDC .Dmax Vmin.D and l DC max Lm .fs Trong đó: Ids : dòng đỉnh cực đại trên Mosfes. RMS Ids : dòng hiệu dụng trên Mosfes. Lm đƣợc chọn sao cho dòng này cao nhất có thể 2) Tính toán số vòng dây Trong Việc chọn lõi, thì số vòng nhỏ nhất cho cuộn sơ cấp (cuộn chính - Primary) để tránh hiện tƣợng bão hòa của lõi đƣợc cho bởi công thức : min Lm .Lover 6 N P .10 (vòng) Bsaf .A e Với: Iover: là dòng đỉnh xung cao nhất. Qua công thức ta thấy nếu Iover mà lớn thì sẽ làm cho kích thƣớc biến áp lớn. Thƣờng chọn sao cho Ids = 70 - 80% Iover. Tính số vòng dây cho các ngõ ra: Hình 2.33. Sơ đồ rút gọn của Biến Áp Trong đó ta xem ngõ ra Vo1 là gốc để điều chỉnh các ngõ ra khác. 57
  58. a) Hệ số vòng dây: V N n = RC P V01 VF1 Ns1 N P , Ns1 : số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp. Vo1 :điện áp ngõ ra. VF 1 : điện áp rơi trên Diode 1 Ns1 sẽ đƣợc làm tròn sao cho NF lớn hơn NP b) Số vòng cho ngõ ra thứ n : V0(n) VF(n) Ns(N) = .Ns1 (vòng) V01 VF1 c) Số vòng dây cho cuộn Vcc : * Vcc VFa .N s1 (vòng) Na = V01 VF1 d) Chiều dài của lõi cho bởi công thức: 2 N p 1 G = 40 Ae (mm) 1000Lm AL 2 AL : giá trị AL khi không có khe, đơn vị là nH/vòng 3) Tính toán đƣờng kính cho dây cuốn: Đƣờng kính dây đƣợc tính dựa vào dòng hiệu dụng qua dây. Mật độ dòng thông dụng là 5 A / mm2 , khi dây dài hơn 1m. Khi dây ngắn và số vòng ít thì có thể lấy 6-10A/mm2. Lƣu ý, không nên dung đƣờng kính dây lớn hơn 1mm, để tránh dòng Faulco 2.8.3) Phƣơng thức cuốn biến áp: 1. Cuộn nối tiếp a). Cách bố trí Cuộn sơ cấp: 58
  59. Hình 3.34. Cách bố trí cuộn sơ cấp Thông thƣờng cuộn sơ cấp đƣợc chia thành nhiều đoạn, với chiều dài nhỏ nhất để tránh tổn hao đƣờng dây. Khi cuộn sơ cấp đã hơn 2 lớp thì lớp bên trong sẽ bắt đầu từ chân rãnh, nhƣ hình trên. b) Cuộn Vcc: Nhìn chung, thì điện áp của mỗi cuộn sẽ ành hƣởng đến điện áp của cuộn bên cạnh. Vì vậy sự bố trí cuộn Vcc sẽ ảnh hƣởng đến điện áp quá tải( OVP-over voltage protection), băng điện áp Vcc, và mạch điều khiển. + OVP-over voltage protection : khi điện áp ngõ ra vƣợt quá điều kiện hoạt động bình thƣờng thì điện áp Vcc cũng tăng, điện áp Vcc cũng ảnh hƣởng đến mạch Snubber(mạch bảo vệ cho cuộn sơ cấp), đặc biệt là điện áp trên tụ Snubber 59
  60. Hinh 2.35. Mạch Snubber Hình 2.36. Bố trí cuộn Vcc để tránh sự biến thiến điện áp Vcc 2.11. ACQUY 2.11.1.Khái niệm acquy Ắc quy là một nguồn điện đƣợc trữ năng lƣợng điện dƣới dạng hoá. Ắc quy là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng nhƣ trong đời sống hàng ngày: nhƣ động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử Ắc quy là nguồn cung cấp điện cho các động cơ khởi động. Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhƣng phổ biến nhất là hai loại ắc qui 60
  61. chì và ắc qui axit. 2.11.2. Quá trình biến đổi năng lƣợng trong acquy Ắc qui là nguồn năng lƣợng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng lƣợng dƣới dạng hoá năng và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài đƣợc gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lƣợng đƣợc gọi là quá trình nạp điện. Trong ắc qui axit có các bản cực dƣơng là đôixit chì ( PbO2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d= 1,1 ÷ 1,3 % ( - ) Pb | H2S04 d = 1,1 ÷ 1,3 | PbO2 ( + ) Phƣơng trình hóa học biểu diễn quá trình phóng nạp của ACQUY: Thế điện động e= 2,1 V. 2.11.3. Quá trình biến đổi năng lƣợng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có bản cực dƣơng là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d= 20% ( - ) Fe | KOH d=20% | Ni(OH)3 ( + ) Phƣơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm : Thế điện động e= 1,4V. Nhận xét: Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui 2.11.4. Sức điện động của ắc qui: Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Ngƣời ta thƣờng sử dụng công thức kinh nghiệm 61
  62. E0 = 0,85 + ρ ( V ) trong đó: E0 - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ) ρ -nồng độ dung dịch điện phân ở 15 0 C ( g/cm3 ) Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui đƣợc tính theo công thức: Ep=Up + Ip.rb trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V ) Ip - dòng điện phóng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V) rb - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện (Ω) Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đƣợc tính theo công thức: En = Un - In.rb trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V ) rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện (Ω) 2.11.5. Dung lƣợng của ắc qui: Dung lƣợng phóng của ắc qui là đại lƣợng đánh giá khả năng cung cấp năng lƣợng điện của ắc qui cho phụ tải, và đƣợc tính theo công thức : Cp = Ip . tp trong đó : Cp - dung dịch thu đƣợc trong quá trình phóng ( Ah ) Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A ) tp - thời gian phóng điện ( h ). Dung lƣợng nạp của ắc qui là đại lƣợng đánh giá khả năng tích trữ năng lƣợng của ắc qui và đƣợc tính theo công thức : Cn = In . tn trong đó : Cn - dung dịch thu đƣợc trong quá trình nạp ( Ah ) 62
  63. In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). 2.11.6. Đặc tính phóng nạp của ắc qui. 2.11.6.1. Đặc tính phóng acqui Hình 2.37 . Đặc tính phóng của acquy Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi . Từ đặc tính phóng của ắc qui nhƣ trên hình vẽ ta có nhận xét sau: Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh,sức điện động điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tƣơng ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ). Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc qui sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh đƣợc gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của 63
  64. ắc qui. ắc qui không đƣợc phóng điện khi dung lƣợng còn khoảng 80%. Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thời gian phóng ). 2.11.6.2.Đặc tính nạp acqui Hình 2.38 . Đặc tính nạp acquy. Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi . Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau : Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tƣợng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đƣợc biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lƣợng phóng điện của ắc qui. Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3h trong suốt 64
  65. thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi. Nhƣ vậy dung lƣợng thu đƣợc khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lƣợng cần thiết để nạp no ắc qui. Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp. Trị số dòng điện nạp ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng và tuổi thọ của ắc quy. Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy là In = 0,1 C10 Trong đó C10 là dung lƣợng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lƣợng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy. 65
  66. 2.11.7. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit. Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhƣng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau: Acquy axit Acquy kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng -Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất đạt đƣợc khi quá tải là nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: Inmax = 20%C10 Inmax = 50%C10 -Hiện tƣợng phòng lớn, do đó ắc qui -Hiện tƣợng tự phóng nhỏ. nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. -Sử dụng rộng rãi trong đời sống, -Sử dụng ở những nơi có yêu cầu công nghiệp đặc biệt ở những nơi có công suất lớn quá tải thƣờng nhiệt độ cao va đập lớn nhƣng công xuyên, đƣợc sử dụng với các thiết bị suất và quá tải vừa phải. công suất lớn. -Dùng trong ôtô, xe máy và các Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng động cơ máy nổ công suất vừa không, hàng hải và những nơi nhiệt độ và nhỏ. môi trƣờng thấp. -Giá thành thấp -Giá thành cao. 2.11.8.Các phƣơng pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phƣơng pháp nạp ắc qui là. Phƣơng pháp dòng điện. Phƣơng pháp điện áp. Phƣơng pháp dòng áp. 2.11.8.1. Phƣơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi. Đây là phƣơng pháp nạp cho phép chọn đƣợc dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui đƣợc no. Đây là phƣơng pháp sử dụng trong các xƣởng bảo dƣỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phƣơng pháp này ắc qui đƣợc mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ≥ 2,7. Naq 66
  67. Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở đƣợc xác định theo công thức : U 20N R= n aq I n Nhƣợc điểm của phƣơng pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đƣa vào nạp có cùng dung lƣợng định mức. Để khắc phục nhƣợc điểm thời gian nạp kéo dài, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trƣờng hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3÷0,6 )C10 tức là nạp cƣỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10 2.11.8.2. Phƣơng pháp nạp với điện áp không đổi. Phƣơng pháp này yêu cầu các ắc qui đƣợc mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và đƣợc tính bằng (2,3V ÷2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phƣơng pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phƣơng pháp này ắcqui không đƣợc nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phƣơng pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. 2.11.8.3. Phƣơng pháp nạp dòng áp. Đây là phƣơng pháp tổng hợp của hai phƣơng pháp trên. Nó tận dụng đƣợc những ƣu điểm của mỗi phƣơng pháp. Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá đƣợc tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phƣơng án nạp ắc qui là phƣơng pháp dòng áp. Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng nhƣ hiệu suất nạp thì trong khỏng thời gian tn = 8h tƣơng ứng với 75 ÷ 80 % dung lƣợng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn 67
  68. nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp đƣợc 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h. Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống nhƣ ắc qui axit nhƣng do khả năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C10 hoặc nạp cƣỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C10 Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. 2.12. Tính toán bộ ăcquy. Ta sẽ chọn loai ắc quy axit loại 6V, điện trở trong Raq =0.09Ω. áp Ucl chính là điện áp nạp cho ắc quy Khi đó E = 12V Raq =0.09 Ω UpIp = P Mà Up =E – Ip.Raq =6 – 0.09.Ip Suy ra (6 – 0.09.Ip).Ip =110 W => Ip =33 A Gọi C là dung lƣơng thực tế của ắc quy, để đảm bảo ắc quy hoạt động bình thƣờng ta phải chọn hệ số dự trữ là 1.5 C =1.5.Ip.tphong =2.33A.0.5h =33Ah Để cho bộ chỉnh lƣu nhỏ gọn ta chọn dòng nạp nhỏ hỏn nhiều so với dòng phóng,điều đó có nghĩa thời gian nạp lớn hơn nhiều so với thơi gian phóng, ta chọn thời gian nạp là tnạp=10h Khi đó: C = In*tnap =3*Ip*tphóng = 33 Ah, Mà tnạp=10h =>In =3,3A 2.13. THIẾT KẾ MẠCH NẠP ẮC QUY: 68
  69. Nguồn cấp cho bộ nghịch lƣu một pha ta sử dụng loại acquy chì 12v/100Ah. Vì vậy cần thiết kế một mạch nạp đảm bảo các thông số kỹ thuật của Acquy: Điện áp nạp acquy : Unạp = 15v. Dòng điện nạp cực đại : Inạpmax = 100Ah / 10 = 10A. R1 R2 R3 10k 10k U1:A 10k U1:B 8 8 BR1 3 5 1 7 2 6 R4 R5 4 220vac 15vac 4 15k 15k VR1 RM4558 VR2 RM4558 10k 15k D1 5v TR1 TRSAT2P2S D3 - + 1N4007 ac quy 12v RTE24005F Q3 RL1 Q1 R6 Q2 BC239 15k BC239 BC239 Hình 2.39. Sơ đồ nguyên lý mạch nạp Acquy 69
  70. Nguyên lý hoạt động: _ Nguồn 220v qua biến áp ta sẽ đƣợc điện áp đầu ra là 15VAC đƣa vào cầu chỉnh lƣu TR1. Qua cầu chỉnh lƣu điện áp ra sẽ là 15vDC và đƣợc nạp thẳng vào Acquy. _IC RM4558 ta sử dụng 2 phần tử KDDTT U1a, U1b. _ Khi bình đƣợc nạp đầy, tại chân 3 của U1a luôn có điện áp 5v nhờ diode ổn áp và R1 = 10KΩ. Tại chân 2 của U1a có điện áp lớn hơn 5v vì có cầu phân áp R2 = 10KΩ, biến trở VR1 = 10kΩ => điện áp tại chân 2 lớn hơn điện áp tai chân 3 làm cho phần tử U1a không hoạt động => chân 1 không có điện nên Q1 không dẫn => không có điện áp cấp vào cuộn hút rơ le => ngắt mạch nạp. _ Do R6 nối vào chân C của Q1 qua cuộn hút của rơ le RL1 nên có điện áp (+) cấp vào chân B của Q2 => Q2 dẫn , kéo cực B của Q1 về mát, duy trì trạng thái ngắt của Q1 => acquy không đƣợc nạp. _ Khi điện áp ac quy xuống dƣới 11v: chân 5 đƣợc ổn áp 5v. chân 6 qua cầu phân áp R3 = 10 KΩ, biến trở VR2 = 15KΩ => điện áp chân 6 nhỏ hơn 5v. Điện áp chân 5 lớn hơn điện áp tại chân 6, nên phần tử KĐTT U1b hoạt động nên chân 7 có điện qua R5 = 15KΩ vào chân B của Q3 làm cho Q3 dẫn kéo chân B của Q2 về mát => Q2 không dẫn => chân B của Q1 có điện (+) => Q1 dẫn nên có dòng vào cuộn hút rơ le làm rơ le đóng cấp nguồn cho biến áp TR1 hoạt động => Acquy đƣợc nạp. 70
  71. CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ BỘ BIẾN ĐỔI Trong chƣơng 2 ta đã tiến hành lựa chọn và tính toán các giá trị linh kiện trong bộ biến đổi DC/AC。 Nội dung chƣơng này ta sẽ xây dựng mô hình vật lý và kiểm tra các tham số đầu ra của bộ biến đổi DC/AC bằng máy hiện sóng Oscilloscope. 3.1. X©y dùng m¹ch ®iÖn biÕn ®æi DC/AC tõ 12v DC lªn 220v AC tÇn sè 50Hz Sử dụng phần mềm vẽ mạch chuyên dụng Proteus để vẽ sơ đồ nguyên lý mạch nâng điện áp Acquy. U4 7805 R22 3 1 VO VI 4.7k D N G D11 2 1N4007 D12 C9 R21 Q5 C11 D8 1N4007 R20 2N3393 U5:A R29 D19 C12 10k 6 Q15 U2 100k 4.7k Q16 Q9 8 5 1 100u S 10u 1N4007 D Q 1N4007 10u 4 3 3 IRF640 R C Q R24 CLK R31 R33 R27 C V R23 10k R25 Q7 7 2 DC 10k Q 13001 100R 100R R30 10k C7 R 10k R32 R34 4.7k 5 IRF640 CV 4 4013 47k 47k 13001 112n R19 Q18 D 10k R35 R36 C8 2 N 6 TR TH Q6 2k 2k G Q17 2N3393 330n 1 555 D10 IRF640 D9 U5:B 8 R371N4007 R381N4007 IRF640 9 13 Q10 D S Q 100r 100r 11 CLK R42 R28 U3 R26 Q8 1r 8 12 Q 2N3393 10k R 10k 4 3 C R Q 0 C 1 4013 2N3393 V R17 R18 7 C5 DC 100k 100k 5 CV C6 10u D 2 N 6 330n TR TH G 1 555 R15 R16 R47 1k 1.6M 1k Q3 R39 IRF3205 R14 TR1 100k 10R R44 10k R48 10k U8:A U8:B 4 4 U8:C R43 4 3 5 D15 R49 1 7 10 D2 R41 100r R46 2 6 47k 8 10k R50 1N4007 9 1k TRAN-2P3S 10k 1 1 1 1N4006 1 R51 LM324 LM324 1 1 LM324 1k R5 C3 Q2 D5 D13 D18 R8 2N3703 C13 4.7k 22u R40 10k 4.7k C2 112n 1N4007 1N4007 1N4007 R6 D6 R9 R45 112n U1 10k 1k 1N4007 10k 14 3 D7 CLK Q0 R2 Q11 13 2 E Q1 2N3703 4 D1 Q2 100k 7 1N4007 Q3 R12 10 D16 Q4 R1 R3 10k 1 1N4006 R52 U8:D Q5 Q4 5 4 8 Q6 10k 12k Q1 10k 6 IRF3205 1N4007 Q7 2N3703 R53 9 C10 12 D3 16 Q8 11 C1 14 Q9 10R 13 15 12 2200u 1N4007 MR CO R7 C4 R10 15k 1n 112n C14 C15 1 TL494 1k 1 R54 LM324 10k SS 2200u 47u D4 10k D14 UF5402 R4 1N4007 750k Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi Để bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn ở đây ta sử dụng tản nhiệt bằng nhôm và quạt gió làm mát. Hệ thống biến đổi điện áp tự động đóng, mở trong trƣờng hợp mất điện lƣới nhờ relay 12V DC đƣợc nuôi từ nguồn điện lƣới. Ta vẽ mạch bằng phần mềm Proteus , in tay và ăn mòn , lắp các linh kiện nhƣ đã chọn nhƣ ở trên đã nêu. 71
  72. Sau khi hoàn thành lắp ghép các mạch ta sử dụng vỏ của bộ nguồn máy tính cũ và đƣa các mạch đã làm ghép vào trong vỏ bộ nguồn. Để đo điện áp ra ở đầu ra ta mắc song song với đầu ra một Vôn kế để biết đƣợc giá trị của điện áp ra. Sau khi lắp ghép ta đƣợc bộ biến đổi có hình dáng nhƣ sau: Hình 3.2 Hình dáng của bộ biến đổi 72
  73. 3.2.Mạch công suất cầu H Có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ DC 300v sang AC 220v , f= 50 Hz. Hình 3.3. Mạch nguồn và công suất cầu H ( Half bridge) 73
  74. Hình 3.4. Xắp xếp bên trong bộ biến đổi 3.3. Mạch điều khiển cầu H Có nhiệm vụ phát xung để điều khiển các Mosfet đóng, cắt với tần số f=50Hz. C5 U4 7805 1000u R1 3 1 VO VI 4.7k D N G 2 C6 R3 Q2 R4 2N3393 U2:A 10k 6 U1 100k 8 5 1 100u S D Q 4 3 3 R C Q R2 CLK C V R12 10k 7 2 DC 10k Q C1 R 5 CV 4 4013 104 C2 R5 D 22k 2 N 6 TR TH Q1 G 2N3393 104 1 555 U2:B 8 9 13 D S Q 11 CLK U3 8 12 Q R 4 3 C R Q 0 C 1 4013 V R6 R9 7 C3 DC 100k 100k 5 CV C4 10u D C7 2 N 6 334 TR TH G 1 555 10n R7 R8 1k 1.6M 74
  75. Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cầu H ( Half bridge) HÌnh 3.6. Mạch điều khiển cầu H ( Half bridge) 75
  76. 3.4.Mạch điều khiển nâng điện áp từ 12v DC lên 300v AC , f=35000 Hz Có nhiệm vụ phát xung vuông tạo dao động với tần số f=35 kHz cấp xung mở cho Mosfet dẫn. R16 10k R17 R29 R14 10k 10k 10k R25 R18 R27 10k 100k 10k R26 U2:A U2:B 10k 3 3 3 3 1N4006 D4 D5 D6 7 5 9 1N4006 11 1 2 14 13 6 1N4006 4 8 10 R28 R23 R12 R13 U2:C U2:D 2 2 2 2 1 1 1 1k 100R 1 10k 10k R15 LM339 LM339 LM339 LM339 3.3k R20 R21 SS 10k 10k 10k 1N4006 D3 C5 R19 R22 10k 10k 22u R46 R11 D2 1k 4.7k 1N4006 R5 C3 R8 Q2 4.7k 2N3703 10k C2 104 R6 R9 104 U1 10k 1k 14 3 CLK Q0 R2 13 2 E Q1 4 D1 Q2 100k 7 Q3 10 Q4 R1 R3 1 1N4006 Q5 5 Q6 10k 12k Q1 6 Q7 2N3703 9 Q8 11 C1 Q9 15 12 MR CO R7 C4 R10 15k 1n 104 4017 1k C7 470u R4 750k Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý của mạch dao dộng từ 12v DC lên 300v DC và mạch bảo vệ 76
  77. Hình 3.8 Mạch dao dộng từ 12v DC lên 300v DC và mạch bảo vệ 77
  78. Hình 3.9 Mạch nguồn và mạch công suất cầu H ( Half bridge) 3.5. D¹ng ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi Tiến hành cấp nguồn cho bộ nghịch lƣu và kiểm tra chất lƣợng dạng điện áp ra bằng máy hiện sóng Oscilloscope. 78
  79. Hình 3.10. Dạng điện áp ra của bộ biến đổi DC/AC đã thi công. Nhận xét: Khi không tải :điện áp ra UAC= 220V, tần số f= 50Hz và dòng tiêu thụ I= 300mA DC. Khi có tải: Ta mắc vào đầu ra 1 bóng đèn sợi đốt 100W thì ta đo đƣợc điện áp ra U= 220V tần số f = 50Hz và dòng tiêu thụ là I= 9,2A DC. Nhƣ vậy mạch đã đạt đƣợc yêu cầu về chất lƣợng điện áp, tần số , dòng điện và biên độ xung không đổi cho dù có tải hay không tải. Hiệu suất của bộ biến đổi do dùng biến áp xung nên đạt tới 90%, trong khi đó nếu dùng biến áp sắt từ chỉ đạt 50% - 60%. 79
  80. KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân,em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình theo đúng kế hoạch đƣợc giao. Trong đề tài này em đã thực hiện đƣợc những vấn đề nhƣ sau: 1. Nghiên cứu tổng quan về các bộ nghịch lưu. 2. Tính toán và xây dựng thành công mô hình thực nghiệm. 3. Ứng dụng và rèn luyện được kĩ năng vẽ mạch in bằng phần mềm proteus và rửa mạch in thủ công bằng tay. Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên bên cạnh những kết quả đã đạt đƣợc, đề tài chƣa thực hiện đƣợc một số vấn đề nhƣ : Chƣa thực hiện giám sát quá trình cấp điện cho tải. Mạch thiết kế và lắp ráp chƣa thật tối ƣu. Nếu tích hợp trên một vỉ mạch thì sản phẩm bộ nghịch lƣu sẽ gọn nhẹ, kinh tế, và có giá trị thẩm mỹ cao hơn. Đề tài mở ra những hƣớng phát triển nhƣ sau : Từ bộ biến đổi điện áp DC/AC dùng trong trƣờng hợp mất điện công suất nhỏ ta có thể phát triển nên thành bộ biến đổi điện áp có công suất lớn hơn ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống. Kết hợp mạch nạp acquy, ta có thể xây dựng đƣợc bộ lƣu điện (UPS) dùng cho các thiết bị dân dụng, đặc biệt là máy tính để bàn PC. Những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc trong đề tài này sẽ là những gợi ý cho các nghiên cứu tiếp theo và cho những ai quan tâm đến lĩnh vực thiết kế điện tử công suất. Sinh viên Nguyễn Văn Hiếu 80
  81. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất bản xây dựng. 2. GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn (1991), Điện tử công suất lớn, Nhà xuất bản giao thông vận tải. 3. Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 4. Lê Văn Doanh (1997), Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 5. Diễn đàn Điện Tử Việt Nam (www.dientuvietnam.net). 6. Datasheet của các Linh kiện Điện tử (www.datasheetcatalog.com). 7. Trang tìm kiếm thông tin (www.google.com). 81