Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha

Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
MỤC LỤC
trang
CHƯƠNG I Giới thiệu một số van bán dẫn công suất… ………… 5
1.1. Diode công suất ………………… …………………………………… 5
1.2. Transistor công suất ……………………………………………………… 7
1.3 . Mosfet công suất …………………………………………………… 8
1.4 . Thyristor …………………………………………………… 12.
CHƯƠNG II Tổng quan về mạch nghịch lưu một pha 14
2.1. Tổng quan về nghịch lưu 14
2.2.Nghịch lưu độc lập 14
2.2.2 .Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa 15
2.2.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha 18
2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha 21
CHƯƠNG III Tính toán và thiết kế mạch 25
3.1.Tính toán máy biến áp 25
3.2.Mosfet công suất IRF3205 26
3.3.Thiết kế mạch điều khiển 28
3.4. Mạch lực 33
3.5. Mạch cách ly 34
3.6. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống 36
Hướng phát triển của đề tài 38
Kết luận 39
Tài liệu tham khảo.
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 1
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, tháng 11 năm 2012
Giáo viên hướng dẫn
NGUYỄN TRUNG THÀNH
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 2
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
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: “Nghiên cứu 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.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 3
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Sinh viên thực hiện : 1. Nguyễn Danh Sách
2. Trần Văn Thắng
3. Trương Đức Thịnh
Lớp : 602101
Khoá học : 2010 - 2013
Ngành đào tạo : Kỹ Thuật Điện

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo mạch nghịch lưu một pha
 Số liệu cho trước:
- Các trang thiết bị đo, kiểm tra tại xưởng thực tập, thí nghiệm ĐTCS.
- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn.
 Nội dung cần hoàn thành:
1. Lập kế hoạch thực hiện
2. Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng và nguồn áp.
3. Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:
- S = 300VA;
4. Sản phẩm của đề tài đảm bảo tính công nghiệp và có tính khả thi trong thực tiễn.
5. Trình bày quyển thuyết minh theo yêu cầu: font – times new roman; lề phải
2.5cm; lề trái 3cm; cách trên 2cm, cách dưới 2cm; đề mục các chương (phần) chữ
viết hoa cỡ 13, các đề mục chính chữ thường in đậm, nội dung chính chữ 13. Cấu
trúc thuyết minh theo yêu cầu hiện hành của bộ môn.
Giáo viên hướng dẫn:
Nguyễn Trung Thành
Ngày giao đề tài: 21-9-2012
Ngày hoàn thành:
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 4
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU MỘT SỐ VAN BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung,đó làcác van bán
dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương
đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn.
Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực
ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.

1.1 Diode công suất
a)cấu tạo
Diode công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp được
chế tạo lớn hơn so với diode thông thường, có thể đạt tới hàng trục mm
2
. Mật độ dòng
điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.
2
Do vậy dòng điện định mức của một số loại
diode có thể đạt tới hàng trăm ampe, như PK200, thậm chí hàng nghìn ampe như BB2-
1250. Cấu tạo và ký hiệu của diode công suất được mô tả như hình 1.1
Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của diode công suất
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 5
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
b)Đặc tính vôn – ampe:
U
m A
U
D 0
U
m A
A
U
m A
U
n g , m a x
U

D 0
A
A
0 0 0
§ Æc t Ýn h t h ù c t Õ c ñ a d i o d e § Æc t Ýn h t u y Õ n t Ýn h h ã a c ñ a d i o d e § Æc t Ýn h l ý t  ë n g c ñ a d i o d e
Hình 1.2 Đặc tính vôn-ampe của diode
Đặc tính V-A của diode gồm 2 nhánh, nhánh thuận(1) nằm ở góc phần tư thứ
nhất ứng với U
AK
> 0, nhánh ngược (2) nằm ở góc phần tư thứ ba ứng với
U
AK
< 0 hình1.2.2-4.
-Trên đường đặc tính thuận của diode nếu điện áp U
AK
được tăng dần từ 0 đến vượt quá
giá trị U
D0
≈ 0,6 – 0,7V, gọi là điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì dòng điện đi
qua diode có thể đạt tới giá trị rất lớn, nhưng điện áp rơi trên diode hầu như không đổi.
-Trên đường đặc tính ngược diode nếu điện áp U
AK
được tăng dần từ 0 đến giá trị U
ngmax
thì dòng điện qua diode có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng dò. Cho đến khi U
AK
đạt đến giá trị
lớn hơn U
ngmax
thì dòng điện qua diode tăng đột ngột, như vậy khả năng cản trở dòng điện

của diode theo chiều ngược bị phá vỡ. Đây là hiện tượng diode bị đánh thủng.
-Trong những tính toán thực tế người ta thường dùng đặc tính gần đúng đã tuyến tính hóa
của diode. Biểu thức toán học của đường đặc tính này là:
u = U
D0
+ i
D
R
D
Trong đó: U
D0
(V); I
D
(A); R
D
(Ω).
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 6
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
-Đặc tính V-A của diode thực tế là khác nhau, nó phụ thuộc vào dòng điện cho phép và
điện áp ngược mà diode chịu được. Theo đặc tính lý tưởng thì điện trở tương đương của
diode bằng 0 theo chiều thuận và bằng
∞
theo chiều ngược.
1.2 Tranzisto công suất ( Transistor lưỡng cực BJT ).
Transistor lưỡng cực là thiết bị gồm ba lớp bán dẫn NPN hoặc PNP, được dùng để
đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ tương đối lớn.Hệ số khuyếch đại dòng, kí hiệu
là

β
= 10
→
100. Điện áp V
be

≈
1V; V
cc
= ( 1
→
1,5 )
a)Cấu tạo transistor ngược NPN

Hình 1.3 Cấu tạo transistor ngược
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 7
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
b) Cấu tạo transistor thuận PNP


Hình 1.4 Cấu tạo transistor thuận
Công suất tổn thất trong Tranzistor khi làm việc với tải xác định nhỏ hơn nhiều lần so
với công suất tổn thất khi transistor chuyển trạng thái. Tích công suất chuyển trạng thái p
c
với thời gian chuyển trạng thái t
c
là năng lượng tổn thất trong quá trình chuyển trạng thái.

Năng lượng tổn thất tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của transistor, khi đó nhiệt độ bên
trong Tranzistor không được vượt quá 200
o
C.Để giảm nhỏ năng lượng tổn thất do
Tranzistor chuyển trạng thái gây nên người ta dùng các mạch trợ giúp. Việc sử dụng các
mạch trợ giúp được xem là bắt buộc khi Tranzistor làm việc ở các điều kiện sau :
f > 5 kHz hoặc V
C
∞

≥

60V, I
C
> 5A
1.3 MOSFET công suất
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 8
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong
tiếng Anh, có nghĩa là "transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn", là một thuật
ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường được sử dụng rất phổ biến trong các mạch số và
các mạch tương tự. Với những Mosfet công suất thường được sử dụng như những chuyễn
mạch điện tử công suất lớn
+)Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim lạo và bán
dẫn ( ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic).Lớp bán dẫn có 2 loại nên có 2 loại MOSFET :
NMOSFET hay PMOSFET. Thông thường chất bán dẫn được chọn là silíc nhưng có một
số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silíc và germani (SiGe), ví dụ

như hãng IBM. Ngoài silíc và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali asenua
có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể
dùng để chế tạo các transistor MOSFET.
+) MOSFET được chia làm hai loại:
-MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn.
-Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là kênh N
hay P. Ta xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P.
1.3.1 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục
a)Cấu tạo và kí hiệu
Hình 1.5 Cấu tạo MOSFET kênh liên tục
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 9
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
b)Đặc tính
Hình 1.6 Đặc tính ra MOSFET kênh liên tục
1.3.2 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn
a)Cấu tạo và kí hiệu
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 10
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
Hình 1.7 Cấu tạo của MOSFET kênh gián đoạn
b)Đặc tính
Hình 1.8 Đặc tính ra của MOSFET kênh gián đoạn
1.3.3 Hoạt động
Khi phân cực cho G có U
GS

>0V, các điện tích dương ở cực G sẽ hút các điện tử của
nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N và khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị hút
nhiều hơn, đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N và kênh dẫn được hình thành.
Khi đó có dòng điện I
D
đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì
dòng ID càng lớn. Điện áp U
GS
đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi là điện áp ngưỡng
U
GS(T)
hay U
T
. Khi U
GS
<U
T
thì dòng cực máng I
D
= 0
Hoạt động của MOSFET có thể được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc
vào điện áp trên các đầu cuối. Với transistor NMOSFET thì ba chế độ đó là:
-Chế độ cut-off hay sub-threshold (Chế độ dưới ngưỡng tới hạn).
-Triode hay vùng tuyến tính
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 11
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
-Bão hòa

+)MOSFET thường dùng trong điều khiển công suất, do vậy đa số nó dùng ở chế độ
đóng ngắt.Do vậy đa số nó dùng ở chế độ đóng ngắt.
So sánh với BJT ở chế độ này.Khác biệt thứ nhất là mô hình:MOSFET là mô hình
nguồn dòng phụ thuộc áp còn BJT là mô hình dòng phụ thuộc dòng.Như vậy để kích dẫn
MOSFET cần đưa điện áp vào hai cực Vgs.Một điểm khác của MOSFET nữa là
MOSFET có Vds không ổn định như Vce mà nó phụ thuộc vào giá trị ổn định khác là
Rds-on (Ở chế độ đóng ngắt). Như vậy Vds = Id*Rds. Như vậy công suất tiêu tán trên
MOSFET chủ yếu phụ thuộc vào Rds Đa số các MOSFET bắt đầu dẫn khi abs(Vgs) xấp
xỉ 5. Thường giá trị khuyến cáo là 10V. Khi điện áp lớn hơn 15 bắt đầu có nguy cơ đánh
thủng Vgs. Khá nguy hiểm là khi bị thủng MOSFET thường dẫn luôn dẫn đến dễ nổ.
Trong mô hình của MOSFET có một cái tụ ký sinh từ gọi là Cgs cần quan tâm đến tụ này
khi thiết kế mạch .Hai giá trị quan trọng cần quan tâm khi thiết kế là:
- Vds max:Thường khi thiết kế dùng dưới 2/3 giá trị này. Ví dụ Vds Max của IRF540
là 100V. Cho nên dùng nó để điều khiển các động cơ 24V là hợp lý. Khi bị quá áp
MOSFET cũng bị nổ to
- Imax dòng max của MOSFET thường rất cao so với BJT cùng loại vỏ nhưng khi
dùng chú ý công suất tiêu tán để tản nhiệt cho thích hợp.
1.4 Thyristor
a)Cấu tạo và kí hiệu:
-Thyristor là phần tử gồm có bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo ra ba tiếp giáp J
1,
J
2
, J
3
.
Thyristor có ba cực anôt (A), catôt (K), và cực điểu khiển G.
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 12

Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
j
2
j
1
j
3
K
G
b > § Æc t Ýn h v « n - a m p e c ñ a t h y r i s t o ra > C Ê u t r ó c v µ k ý h i Ö u c ñ a t h y r i s t o r
n
n
p
p
U
i
I
d t
I v
0
U
v , t h
U
t h , m a x

I
G2

>

I
G1

>
I
G0

I
G0
= 0
§ o n g d ß
U
n g , m a x
§ o n g d ß
A
A
K
Hình1.9 Cấu tạo và đặc tính vôn-ampe của thyristor
b)Đặc tính vôn – ampe.
-Gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ nhất với U
AK
> 0, còn phần
đặc tính ngược nằm ở góc phần tư thứ ba với U
AK
< 0.
a>Trường hợp I
G
= 0:
*Khi U
AK

< 0 thì tiếp giáp J1 và J3 bị phân cực ngược còn J2 phân cực thuận, khi đó
dòng điện qua thyristor rất nhỏ. Gọi là dòng điện dò.
-Nếu thực hiện tăng U
AK
đến giá trị nhỏ hơn U
ng,max
thì dòng điện qua thyristor cũng vẫn
rất nhỏ. Nếu cứ tiếp tục tăng đến giá trị U
AK
> U
ng,max
thì xẽ sẩy ra hiện tượng thyristor bị
đánh thủng, dòng điện qua thyristor xẽ tăng lên rất lớn, quá trình này không đảo ngược
lại được.
*Khi U
AK
> 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược,
lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện dò.
-Nếu ta thực hiện tăng U
AK
đến giá trị lớn hơn điện áp thuận lớn nhất U
th,max
thì xẽ sẩy ra
hiện tượng điện trở tương đương A- K đột ngột giảm xuống và đòng điện dễ dàng chảy
qua thyristor, và giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng
qua thyristor lớn hơn dòng đuy trì I
dt
thì thyristor xẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận (
giống như diode). Đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng điện có thể thay đổi
lớn nhưng điện áp rơi trên thyristor gần như không đổi.

b> Trường hợp I
G
> 0 .
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 13
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
*Khi U
AK
> 0 nếu đặt vào cực điều khiển dòng I
G
> 0 thì quá trình chuyển điểm làm việc
lên đường đặc tính thuận xẽ xớm hơn. Nếu dòng điều khiển càng lớn thì quá trình chuyển
điểm làm việc lên đường đặc tính thuận xẽ càng xớm hơn với U
AK
nhỏ hơn.
*Khi U
AK
< 0 thì quá trình sẩy ra cũng tương tự trường hợp I
G
= 0.
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU MỘT PHA
2.1. Tổng quan về nghịch lưu.
Trong công nghệ, ta thường gặp vấn đề biến đổi điện áp một chiều thành điện xoay
chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện. Các thiết bị đó được gọi là nghịch lưu.
Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng
xoay chiều.
Phân loại: nghịch lưu về cơ bản được chia làm hai loại:

- Nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới xoay chiều.
- 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
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 14
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
- Nghịch lưu độc lập cộng hưởng.
2.2 Nghịch lưu độc lập
Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi nguồn điện một chiều thành dòng xoay chiều
với tải độc lập không phụ thuộc vào lưới điện. Dòng xoay chiều có thể biến đổi được với
tần số mong muốn nên cũng gọi là thiết bị biến tần gián tiếp. Gián tiếp vì thường để có
nguồn một chiều phải có một khâu chỉnh lưu. Ở một số tài liệu kỹ thuật thiết bị này được
gọi là “ nghịch lưu ôtonôm” hay onduleur.
Như đã nói nghịch lưu độc lập được phân làm ba loại là nghịch lưu độc lập dòng,
nghịch lưu độc lập áp và nghịch lưu độc lập cộng hưởng. Người ta cũng có thể phân loại
theo số pha một pha, ba pha, cầu Ở nghịch lưu độc lập dòng ở đầu vào phải có điện cảm

L
d
lớn và tụ đảo mạch được nạp theo luật không chu kỳ. Dòng đầu vào I
d
là liên tục,
phẳng không nhấp nhô nghĩa là nguồn cung cấp ở thiết bị này là nguồn dòng.Trong
nghịch lưu độc lập cộng hưởng tải có điện cảm lớn, cùng với các phần tử R, L, C của
mạch tạo nên mạch vòng dao động RLC và có cộng hưởng áp. Tần số riêng của mạch
cộng hưởng phải cao hơn hoặc bằng tần số công tác của nghịch lưu độc lập.Trong nghịch
lưu độc lập áp nguồn cung cấp cho nó phải là nguồn áp (máy phát phải có điện trở trong
nhỏ).
Lĩnh vực áp dụng chủ yếu của nghịch lưu độc lập dòng và áp là biến đổi tần số, cung cấp
điện xoay chiều cho các thiết bị xoay chiều và phục vụ cho các T.Đ.Đ có điều chỉnh tần
số.Các nghịch lưu độc lập cộng hưởng được dùng có lợi khi tần số ra khoảng 1÷2 KHz.
Cấp cho các thiết bị nhiệt điện, thiết bị siêu âm và các truyền động cao tốc.
2.2.2 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha qua máy biến áp điểm giữa
a)Sơ đồ nguyên lý
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 15
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
b)Dạng sóng và điện áp
Dạng sóng u’ và i’ với tải điện cảm

SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 16
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử

Ở hình trên vẽ khoảng dẫn các linh kiện bán dẫn. Ta nhận thấy mọi chuyển mạch ở
dòng điện không bằng không tạo nên giữa một linh kiện có điều khiển và 1 diode. Tính
chất này chung cho các bộ nghịch lưu áp. Do máy biến áp có điểm giữa, điện áp trên cực
khoá chuyển mạch hở bằng 2 lần điện áp nguồn một chiều U ta gọi bộ nghịch lưu nhân
đôi điện áp.
c) Các biểu thức tính toán
Nếu giả thiết điện áp vào không đổi, dòng điện ra hình sin, máy biến áp và linh kiện
bán dẫn lý tưởng, ta dễ dàng tìm được điện áp ra và dòng điện vào:
- Điện áp ra: Trong một nửa chu kỳ điện áp ra bằng
2/
1
2
n
n
+
U và -
2/
1
2
n
n
U ở nửa chu
kỳ kia. Điện áp ra u’ có trị hiệu dụng bằng: U’ =
1
2
2
n
n
U
- Trị hiệu dụng thành phần cơ bản : U’

1
=
π
22
.
1
2
2
n
n
U
- Tỷ số điều hoà:
'u
τ
=
1
'
1
U
1
22
'' UU
−
= 0.483
- Khai triển Fourier có:
U’ =
1
2
2
*

4
n
n
π
U (Sin
t
ϖ
+
3
1
Sin3
t
ϖ
+
5
1
Sin5
t
ϖ
+
7
1
Sin7
t
ϖ
) i sóng cơ bản,
u’còn chứa tất cả các điều hoà bậc lẻ. Biên độ điều nghịch với bậc của nó.
Dòng điện vào i có chu kỳ bằng một nửa chu kỳ của các đại lượng ra
t
ϖ

<
π
Ta có biểu thức:
i =
)('
2
1
2
ϕϖ
−
tSinI
n
n
m
Giá trị trung bình:
I =
ϕ
π
cos
2
'
2
1
2
m
I
n
n
Hiệu dụng:
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành

Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 17
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
I
hd
=
2
1
'
2
1
2
m
I
n
n
Nhấp nhô:
i
∆
= i
max
- i
min
=
)1('
2
1
2
ϕ

SinI
n
n
m
+
Tỉ số điều hoà:
2
2
1
II
I
hdi
−=
τ
π
π
ϕ
π
τ
2
2
cos
8
1
cos22
−=
i
2.2.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp cầu 1pha :
a) Sơ đồ nguyên lý
Trong đó:T1,T2,T3,T4 là các thyristor có nhiệm vụ đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi

điện áp xoay chiều ra tải
R,L:là phụ tải
D1,D2,D3,D4:là các diod đẫn 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 lương cho tải(các thyristor dẫn dòng)
- Khi is <0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các diod dẫn dòng)
C:là tụ lọc
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 18
Trng i hc s phm k thut Hng yờn ỏn mụn hc
Khoa in in t
b) Dng súng in ỏp v dũng in
c) Nguyờn lý hot ng
Giả sử T2 và T4 đang cho dòng chạy qua (dòng tải đi từ B A). Khi
t = 0 cho xung
mở T1 và T3, T2 và T4 bị khoá lại, dòng tải i = -Im không thể đảo
chiều một cách đột
ngột. Nó tiếp chảy theo chiều cũ nhng theo mạch D1 E D3tải
D1 và suy giảm
dần, D1 và D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Khi
t = t1, i = 0, D1 và
D3 bị khoá lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác động ở
các cực G1, G3 dòng
SVTH: Nguyn Danh Sỏch GVHD: Nguyn Trung Thnh
Trn Vn Thng
Trng c Thnh 19
Trng i hc s phm k thut Hng yờn ỏn mụn hc
Khoa in in t
tải i > 0 và tăng chảy theo chiều từ AB.

Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lợng.
Khi t = T/2 cho xung mở T2 và T4 , T1 và T3 bị khoá lại, dòng tải chảy
qua D2 và D4
khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Khi t = t3, i = 0, T2 và
T4 sẽ mở lại , i < 0
chảy theo chiều từ BA. Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ
giữa hai giá trị Im
và -Im. Các xung điều khiển Thyristor thng là xung chùm.
* Biểu thức của dòng tải i:
+ Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3 ta có phơng trình:

Di dng toỏn t Laplace ta cú:

Trong ú i(0) = -Im v =R/L
Do ú
+ Khi cho xung m T2 v T4 ta cú phng trỡnh
SVTH: Nguyn Danh Sỏch GVHD: Nguyn Trung Thnh
Trn Vn Thng
Trng c Thnh 20
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
2.2.4.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu 1 pha :
Nghịch lưu 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 lưu dòng là nguồn một chiều cấp nguồn cho bộ biến
đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào (L
d
) thường có giá trị lớn vô cùng để
đảm bảo dòng điện là liên tục.
a) Nguyên lý làm việc:

Sơ dồ nghịch lưu dòng một pha được trình bày như trên hình (sơ đồ cầu) và hình
(sơ đồ có điểm trung tính).
*) Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristor T
1
, T
2
thì
lệch pha với tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T
3
, T
4
một góc 180
0
.
Điện cảm đầu vào của nghịch lưu đủ lớn (L
d
= ∞), do đó dòng điện đầu vào được
san phẳng, nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng dạng dòng điện của nghịch lưu (i
N
)
có dạng xung vuông.
Khi đưa xung vào mở cặp van T
1
, T
2
, dòng điện i
N
= i
d
= I

d
. Đồng thời, dòng qua tụ
C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên
phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không.
Do i
N
= i
C
+ i
Z
= I
d
= const, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải
tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t
1
) người ta đưa xung vào mở cặp van T
3
, T
4
. Cặp van
T
3
, T
4
mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược
chiều với dòng qua T
1
và T
2
sẽ làm cho T

1
, T
2
bị khóa lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra
gần như tức thời. Sau đó, tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “+” ở
bên phải và “-” ở bên trái. Dòng nghịch lưu i
N
= i
d
= I
d
nhưng đã đổi dấu.
Đến thời điểm (t = t
2
) người ta đưa xung vào mở T
1
, T
2
thì T
3
, T
4
sẽ bị khóa lại và
quá trình được lặp lại như trước. Như vậy, chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ
chuyển mạch cho các tiristor. Ở thời điểm t
1
, khi mở T
3
, T
4

, tiristor T
1
, T
2
sẽ bị khóa lại
bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên.
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 21
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
Hình 1.1 Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha.
Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t
1
÷ t
’
1
= t
k
≥ t
off
; t
off
là thời gian khóa của
tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển.
ω.t
k
= β là góc khóa của nghịch lưu.
b) Ảnh hưởng của điện cảm đầu vào L
d

đối với chế độ làm việc của nghịch lưu:
Dòng điện vào của nghịch lưu (i
d
) ảnh hưởng lớn đối với chế độ làm việc của nó.
Dòng đầu vào phụ thuộc vào giá trị của điện cảm L
d
.
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 22
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
Hình 1.2 Ảnh hưởng của điện cảm L
d
đối với chế độ làm việc của nghịch lưu.
a) L
d
= ∞; b) L
d
hữu hạn nhưng dòng I
d
là liên tục; c) Dòng I
d
gián đoạn.
Nếu điện cảm vào đủ lớn , dòng điện được san phẳng, nguồn vào thực chất là
nguồn dòng. Dạng dòng qua tiristor là dạng xung chữ nhật, do đó dòng điện của nghịch
lưu cũng là dạng xoay chiều dạng xung chữ nhật, và thời gian khóa (t
k
) của nghịch lưu là
lớn nhất. Khi điện cảm đầu vào chiếm một giá trị trung bình nào đó mà vẫn đảm bảo

dòng là liên tục , lúc này dạng sóng điện nhấp nhô do vẫn chứa các sóng điều hòa bậc
cao. Dạng điện áp gần với hình sin hơn, nhưng thời gian khóa của tiristor bị giảm xuống.
Khi dòng điện vào là gián đoạn, giá trị điện cảm không đủ để duy trì nguồn là
nguồn dòng thì thời gian t
k
là bé nhất.
Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch của
tiristor. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịch
lưu làm việc tin cậy thì thời gian t
k
phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn luôn đảm
bảo là nguồn dòng.
c) Ảnh hưởng của phụ tải đối với với chế độ làm việc của nghịch lưu:
Ta xét trường hợp L
d
= ∞ (điện cảm vô cùng lớn). Sơ đồ trên hình 3.2 có thể thay
thế bằng sơ đồ hình 3.4a.
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 23
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
Hình1 .3 a) Sơ đồ thay thế của nghịch lưu dòng một pha.
b) Ảnh hưởng của tải đối với điện áp.
Ta có phương trình của điện áp trên tải:









−−








+








−+
=
−−
−−
CR
T
t
CR
T

CR
t
CR
T
t
tt
tt
e
T
CR
e
eeE
U
2.2
2 2
1.
.4
1
21.
.
Từ phương trình trên ta thấy điện áp trên tải biến thiên theo quy luật hàm mũ cơ số
e. Khi thay đổi phụ tải như giảm dòng tải, dòng qua tụ sẽ ít thay đổi vì
const
C
I
dt
du
CC
==
(nguồn dòng), do đó điện áp trên tải sẽ có dạng là những đường gần tuyến tính (đường 1

trên hình 3.4b), góc khóa β = ω.t
k
≈ π/2., với t
k
là thời gian khóa của nghịch lưu.
Nghịch lưu dòng không có khả năng làm việc ở chế độ không tải, vì nếu R
t
→ ∞
thì U
t
→ ∞ và i
d
→ ∞. Trên thực tế khi R
t
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 được, cũng như không
có thiết bị bán dẫn nào chịu đựng nổi độ quá điện áp lớn như vậy.
Ngược lại, khi tăng phụ tải (tương đương với việc giảm giá trị R
t
), lúc này dòng
nạp cho tụ sẽ giảm, ngược lại dòng phóng của tụ qua tải sẽ tăng lên. Điều đó dẫn đến
giảm năng lượng tích trữ trong tụ, dạng điện áp trên tải sẽ có dạng gần với hình chữ nhật,
nhưng góc β cũng giảm đáng kể và ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch của nghịch lưu
(đường 2 hình 3.4b).
SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 24
Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng yên Đồ án môn học
Khoa Điện – Điện tử
Thời gian t

k
là thời gian duy trì điện áp ngược đặt lên tiristor. Góc khóa β của
nghịch lưu phụ thuộc vào tần số, phụ tải và tụ chuyển mạch.
Để thỏa mãn điều kiện làm việc của nghịch lưu thì β
min
> ω.t
off
.
CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM.
Sử dụng sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha sử dụng máy biến
áp điểm giữa vì sơ đồ đơn giản,dễ thiết kế .lắp giáp và chi phí thấp.
3.1. Tính chọn máy biến áp một pha tần số 50Hz
Máy biến thế có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế, đầu ra
cho 1 hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng. Máy biến áp được sử dụng quan
trọng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất
nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các cục biến thế,
cục xạc, dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, 3
V, ).Ở trong mạch này ta lựa chọn máy biến áp điểm giữa vì so sánh về mặt kinh tế và
mặt kĩ thuật phương án lựa chọn này là tối ưu
Máy biến áp có các thông số: U
v
= 12V, U
r
= 220V, f = 50HZ, S= 300W
Vì thế ta chọn máy biến áp có N1=30(vòng),N2=520(vòng)
Với :N1 là số vòng dây quấn của cuộn dây sơ cấp
N2 là số vòng dây quấn của con dây thứ cấp
Từ đó ta tính được:N11=N12=N1/2=30/2=15(vòng)
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U

1
= 2.U
11
= 2.12 = 24( V )
Công suất của máy biến áp: S =
η
.U
2
.I
2

SVTH: Nguyễn Danh Sách GVHD: Nguyễn Trung Thành
Trần Văn Thắng
Trương Đức Thịnh 25