thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha công suất 500va

Trường đại học hàng hải
Khoa điện – điện tử tàu biển
THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề bài: bài số 14
Thiết kế bộ nghịch lưu 1 pha
Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế bộ nghịch lưu 1
pha
Nguồn cấp:Uv=12VDC
Nguồn ra:Ur=220VAC
Công suất:500VA

Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Văn Tuân
Sinh viên:Phạm Minh Nghĩa

Hải phòng ,năm 2012

1
Đề cương sơ bộ
Chương 1: Tổng quan về công nghệ nghịch lưu 1 pha.
1.1 .Tổng quan về công nghệ.
1.2. Yêu cầu của công nghệ.
1.3 . Phạm vi ứng dụng .

Chương 2: Tính chọn mạch công suất.
2.1. Các mạch công suất .
Mạch nghịch lưu dùng tranzitor công suất 2n3055
Mạch nghịch lưu 1 pha dùng mosfet
Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài .Điện áp đầu ra của 4047 là 11V ở
mức cao và 0.05 V ở mức thấp.

2.2. Ưu nhược điểm của mạch
+Với mạch nghịch lưu áp thấp
-Ưu điểm
-Nhược điểm
2.3 . Mạch nghịch lưu điện áp thấp
Điện áp vào 12VDC ,điện áp ra 220VAC, công suất 500W
2.4. Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch
2.5 . Tính chọn các phần tử bảo vệ
2.6 .Tính chọn máy biến áp
Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển
3.1.Trình bày sơ đồ cấu trúc tổng quát
Sơ đồ gồm có:
Tranzitor IRF3025
IC 3525
Điện trở
Tụ điện .

3.2. Các khâu điều khiển
Khâu tạo xung
Khâu khuếch đại
Khâu biến áp
3.3. Tính toán các khâu điều khiển
2
3.4. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh

Tài liệu tham khảo :
Giáo trình điện tử công suất (Trần Trọng Minh);
Giáo trình điện tử công suất (Nguyễn Bính);
Giáo viên huớng dẫn : Sinh viên:

Thầy: Đoàn Văn Tuân Phạm Minh Nghĩa
3
Nhận xét của giáo viên huớng dẫn:
4
Tên đề tài
Thiết kế mạch nghịch luư 1 pha

Chuơng 1: Tổng quan về công nghệ nghịch lưu .
1.1. Tổng quan về công nghệ
Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử,
các phần tử bán dẫn công suất. Nhằm khống chế nguồn năng lượng điện với
các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham
số có thể thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải. Như vậy các bộ biến
đổi bán dẫn công suất là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất.
Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các
khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào
nguồn, khi khoá thì không cho dòng điện chạy qua các van. Khác với các
phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt các dòng điện mà
không gây tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian, không gây tiếng ồn
và có khả năng đóng cắt với tần số rất lớn. Không những vậy các van bán
dẫn còn có thể đóng cắt các dòng điện rất lớn với điện áp cao nhưng các
phần tử điều khiển chúng lại được tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ,
nên công suất tiêu thụ cũng nhỏ.
Quy luật nối tải vào nguồn trong các bộ biến đổi công suất phụ thuộc vào sơ
đồ các bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ
biến đổi. Quá trình biến đổi năng lượng sử dụng các van công suất được
thực hiện với hiệu suất rất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất
trên các khoá điện tử, nó không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.
Các bộ biến đổi công suất không những đạt được hiệu suất cao mà các còn
5

có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo
yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian
ngắn nhất, với các chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự
động hoá.
Trong một thời gian dài ứng dụng của kỹ thuật điện tử chủ yếu sử
dụng trong lĩnh vực biến đổi tần số cao và trong dân dụng. Sự phát triển của
truyền động điện nó đã thúc đẩy sự ra đời của điện tử công nghiệp từ những
năm 1950. Tuy nhiên, những ứng dụng của chúng cũng bị hạn chế vì thiếu
những linh kiện điện tử công suất có hiệu suất cao, kích thước nhỏ và đặc
biệt là có độ tin cậy cao. Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy
ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của điều khiển công nghiệp.
Sự phát minh ra tranzitor vào năm 1948 do Bardeen, Brattain và
Schockly tại phòng thí nghiệm Bell Telephone_Giải thưởng Nobel năm
1956_nó đánh dấu bước phát triển cách mạng trong kỹ thuật điện tử. Đến
những năm 1960 do sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh
kiện bán dẫn công suất như diode, tiristor, tranzitor công suất ra đời.
Đến những năm 1970 thì kỹ thuật vi mạch và tin học ngày càng phát
triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng
ngày càng phong phú và nó đã làm thay đổi tận gốc ngành kỹ thuật điện. Kể
từ đây, kỹ thuật điện và điện tử cùng hội nhập và thúc đẩy nhau cùng phát
triển.
Điện tử công suất với đặc điểm chủ yếu là chuyển mạch (đóng – cắt)
với dòng điện lớn, điện áp cao có thể thay đổi với tốc độ lớn.
Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành
năng lượng xoay chiều.
Phân loại: Các sơ đồ nghịch lưu được chia làm hai loại.
6
-Theo số pha:
Một pha
Ba pha

Nhiều pha.
-Theo sơ đồ :
Hình tia
Hình cầu.
- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều.
- Sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập như ác
quy, máy phát một chiều )
Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều
khiển. Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một
chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thoả mãn
điều kiện (π/2 < α <π ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về
lưới xoay. Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp
lưới xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các
nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với
tần số pha tuỳ ý. Tần số và điện áp nghịch lưu. Nói chung có thể điều chỉnh
tuỳ ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến
áp có trung tính.
Sơ đồ nghịch lưu lập được chia là ba loại cơ bản:
- Nghịch lưu độc lập điện áp .
- Nghịch lưu độc lập dòng điện.
7
- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng.
1.2. Yêu cầu của công nghệ
Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phần lớn là linh
kiện công suất. Mạch sử dụng các van bán dẫn công suất như Transistor,
MOSFET, IGBT…Trong quá trình chạy mạch thì xung tạo ra là xung
vuông và được khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor,
IGBT…
1.2. phạm vi ứng dụng.

Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứng dụng rất nhiều trong
các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể ra các nghành kỹ thuật mà trong
đó có những ứng dụng tiêu biểu của bộ biến đổi bán dẫn công suất như
truyền động điện tự động,
Giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân
nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất và
trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong
những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đó có
những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế
tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngày
càng dễ dàng hơn.
Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch công suất
2.1: Một số phương án mạch công suất
8
a.Phương án 1: Dùng Transistor công suất : Dùng hai Transistor công
suất T
1
và T
2
dao động đa hài phát ra tín hiệu đóng. Hai Transistor T
1
và
T
2
mắc cùng với bốn điện trở, trong đó có sử dụng trở công suất thành
mạch tạo ra xung vuông.
Dùng các cổng logic : Có thể dùng các cổng logic như các cổng
NAND, NOR, cổng đảo…có thể dùng IC 4011 hoặc IC SN7400.
Dùng các con trigơ và vi mạch : Có thể dùng vi mạch 555 hoặc IC
4047B, là những IC phát xung chủ đạo và xung này được qua một IC

khuyếch đại thuật toán.
Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay
chiều nhưng có nhược điểm độ ổn định không cao .
b.phương án 2
- Dùng IC 4047 để tạo xung đa hài .Điện áp đầu ra của 4047 là 11 V ở
mức cao và 0.05 V ở mức thấp.
- Dòng điện và điện áp làm việc của IC nhỏ, còn ở mạch động lực dòng
làm việc lớn. Để cáchly giữa mạch điều khiển và mạch động lực ta sử dụng
PC817
Khi được cấp nguồn 4047 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha
nhau 180 độ. Diode của PC phat sáng có xung trên Colecto của PC. Xung
điện áp đối xứng kích mở cho K956, K956 dẫn dòng làm cho máy biến áp
điểm giữa xuất hiện dòng điện trong cuộn sơ cấp ở cả hai nủa chu kỳ.
c.phương án 3
9

-Dùng ic 3525 và tranzitor irf3205
- tranzitor irf 3205 sẽ đóng cắt dòng điện theo xung nhịp của ic 3525 phát
ra.
2.2: Tính toán các van bán dẫn công suất
a. Tranzitor irf 3205
hình dạng: ký hiệu

D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra
máng.
S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào
thanh bán dẫn.
G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển.
Datasheet:
10

11



Hình dạng thực tế của mosfet irf 3205
b. Tính toán máy biến áp
ztu2
i2
n
2
i1
n
12
n
11
+
-
=
u
k1
k2
Sơ đồ nguyên lý máy biến áp
Ta lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì nguồn 12v từ acquy sẽ vào trực tiếp
điểm giữa của máy biến áp. Và mạch nghịch lưu sử dụng ic tạo xung vuông
2 nửa chu kỳ do đó máy biến áp phải là điểm giữa để đối xứng tín hiệu phát
ra từ ic.
Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 500VA
12
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2*U11 = 2.12 = 24( V )
Công suất của máy biến áp: P =

η
*U2*I2
Trong đó: P là công suất của máy biến áp
U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp
I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp
η
là hiệu suất máy biến áp
Chọn
η
= 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp
I2 =
2
.U
P
η
= 2.67(A)
Áp dụng tỉ số máy biến áp
1
2
2
1
I
I
U
U
=

⇒
I1 =
1

22
.
U
IU
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V )
I1 = 24.47(A)
Công suất máy biến áp cần chọn:
P1 = U1 . I1 = 24 *24.47 = 587.4 (W)
Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 600W với I = 25A.
-Thiết diện máy biến áp
Thiết diện có ích S của lõi thép, tính bằng cm2: bằng thiết diện vật lý (dài *
rộng) nhân với hệ số ghép.
S=a*b*k.
K từ 0,85 đến 0,95, tùy chất lượng lõi thép .
Công suất máy biến áp : S=1,2√ P (căn) suy ra P=S^2/1.44 (S bình chia
1,44)
13
vậy để công suất tầm 500W trở lên thì lõi sẽ là S=1,2 x
sprt(500)=26,83(cm2).
Chiều dài , chiều rộng của lõi sẽ là , 3,5 cm và 7,7 cm.
- Thiết diện dây quấn
Thiết diện dây sơ cấp: Asc = 2,5/I1 (2,5 là mật độ dòng điện).
Đường kính dây sơ cấp: Asc=π dsc^2/4. (n nhân d sơ cấp bình phương chia
4)
dsc= √ (4Asc/π) :bán kính dây sơ cấp
Với mạch 500W của chúng ta thì :
Thiết diện Asc = 2,5/2.67=0.93
Đường kính của dây là: sprt((4 x 0.93)/3,14)= 1.08 cm ở đây chúng ta chọn
dây 11mm hay 11 li
Thiết diện dây thứ cấp: Atc = 2,5/I2

Đường kính dây thứ cấp: Atc=π dtc^2/4.
Atc=2.5/24.47=0.102
Dtc= √ (4Atc/π)
Dtc=sqrt(4*0.102)/3.14=0.36cm
suy ra d=3.6(mm)
* Tính toán tản nhiệt
- Theo datasheet của hãng chế tạo IRF3025 ta biết nhiệt độ TJmax =
150C. RJV = 0.5(0C/ W).
RJV (kháng nhiệt).
Với giả thiết nhiệt độ môi trường làm việc tối đa là 40C.
Như vậy nhiệt độ trên cánh tản nhiệt được xác định là
14
Tr = Tj – RJV. ∆P
Trong đó Theo datasheet của hãng chế tạo IRF3205 ta biết được tổn hao
cực đại là 50W.
Tr = Tj – RJV. ∆P = 150 – 0.5*50 = 125(0C)
⇒
Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường là :
)(8540125
0
C
=−=
τ
Diện tích bề mặt tản nhiệt :
τ
.
m
P
TN
K

S
∆
=
Trong đó: Km là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 w/m2
0C
⇒
Diện tích cánh tản nhiệt : Stảnnhiệt =
)(073.00
85.8
50
.
2
m
K
m
P
==
∆
τ
* Tính chọn cầu chì
- Mạch điện được tính toán với dòng làm việc tối đa bên mạch sơ cấp MBA
là 2.67A. Để tránh hiện tượng làm việc quá tải hay ngắn mạch gây sự cố phá
hỏng thiết bị ta nên chọn thiết bị bảo vệ là cầu chì cắt nhanh, với dòng điện
làm việc được xác định
ICC = K.I = 1,5* 2.67= 4.005 (A)
Vậy chọn cầu chì có dòng điện làm việc 2.67A ; điện áp 250V loại cắt
nhanh.
Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển mạch điều
khiển
3.1.Sơ đồ khối mạch điều khiển

15
3.2.1.
Nhiệm
vụ và
chức
năng
của
mạch
điều khiển :
Nhiệm vụ
Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển
mở bằng xung và khoá bằng xung nên mạch điều khiển phải có các chức
năng sau :
- Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện
áp đặt lên colector và emitor của van .
- Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khoá van trong
nữa chu kì còn lại .
- Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở và
khoá van chắc chắn .
- Tạo ra đươc tần số theo yêu cầu .
- Dễ dàng lắp ráp, thay thế khi cần thiết, vận hành tin cậy, ổn
định .
- Cách ly với mạch động lực
Yêu cầu chung về mạch điều khiển là :
Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong hệ thống, nó là bộ phận quyết
định chủ yếu đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi nên cần có những
yêu cầu sau :
16
Về độ lớn của dòng điện và điện áp điều khiển:

Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. Giá trị nhỏ nhất cũng
phải đảm bảo được rằng đủ cung cấp cho các van mở và khoá an toàn. Tổn
thất công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép .
Yêu cầu về tính chất của xung điều khiển :
Giữa các xung mở của các cặp van phải có thời gian chết, thời gian chết này
phải lớn hơn hoặc bằng thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van .
Yêu cầu về độ tin cậy của mạch điều khiển :
Phải làm việc tin cậy trong mọi môI trường như trường hợp nhiệt độ thay đổi
, có từ truờng
Yêu cầu về lắp ráp và vân hành :
Sử dụng dễ dàng , dễ thay thế , lắp ráp . . .
3.2.2. mạch điều khiển
Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng vi mạch sg3525
Hình dáng
Sơ đồ chân của ic
17
Chức năng của các chân:
chân 1: chân đưa tín hiệu vào của hồi tiếp
chân 2: chân nhận tín hiệu hồi tiếp
chân 3:dùng để kết hợp với các xung khác cho đồng bộ
chân 4: tín hiệu ra osc ( không dùng)
chân 5: định tần số của xung pwm
chân 6: định tần số dao động
chân 7: chân xả
18
chân 8: nối với tụ để làm khởi động êm
chân 9: chân bù
chân 10: bật tắt hoạt động của chíp
chân 11: phát xung nửa chu kỳ đầu
chân 12 :nối đất

chân 13: cấp dương
chân 14 : phát xung nửa chu kỳ còn lại
chân 15:nối dương
chân16 : nguồn duơng
Datasheet
19
20
Sơ đố khối
Chế độ hoạt động

Mạch ổn áp xung hoat động theo 2 nguyên tắc: một là điều xung PWM với
tần số cố định ,hai là điều tần với xung vuông. Xung này được đưa từ bộ
phát xung vào chân gate cua MOSFET công suất ,điều dòng bật tắt qua cuộn
cảm tạo điện thế ra,và được lọc bằng tụ điện.

21
Hai điện thế ở ngõ ra đượ hồi tiếp về chân 1 và 2 .Hai chân này sẽ điều
chỉnh độ tắt mở xung phát ra PWM .Xung này sẽ điều khiển đóng mở cho
MOSFET qua 2 đầu ra 11 và 14.
Xung ra ỏ chân 11 và chân 14 seư thay đổi nhờ chân 1 và 2
Khi dòng tải tăng làm cho điện thế ngõ ra giảm ,tín hiệu hồi tiếp giảm ,mạch
điều xung sẽ tăng thời gian bật làm MOSFET công suất bật lâu hơn ,làm
tăng năng lượng qua biến thế ,đưa điện thế lên cao.Khi dòng tải giảm thì quá
trình ngược lại. Quá trình này sẽ làm ổn định hệ thống
Các chân 5 và 6 được nối với tụ và trở để ổn định tần số giao động và phãt
xung PWM . Chân 8 được nối mát để việc khởi đọng được êm.
Chân 10 sẽ bật tắt hoạt động của chip
Dạng sóng đầu ra
22
Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ mạch in:
23