Nghịch lưu 1 pha

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (840.47 KB, 37 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAMKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Định nghĩa nghịch lưu 1 pha

Phương pháp hoạt động của quá trình nghịch lưu

Phân loại nghịch lưu 1 pha: nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộcu cầu của cơng nghệ:

Chương 2. Tính chọn mạch cơng suất

Các mạch cơng suất:

Mạch nghịch lưu hình cầuMạch nghịch lưu hình tiaMạch nghịch lưu hình bán cầu

Phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất nêu trên:Chọn mạch cơng suất phù hợp:

Mạch nghịch lưu hình tia

Tính chọn các van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạchIGBT

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Tính chọn máy biến áp Tham số n1,n2, P, Q, STính chọn bảo vệ quá ápTính chọn bảo vệ q dịng Tính chọn bảo vệ q nhiệt

Chương 3. Mơ phỏng mạch cơng suất

Trình bày sơ đồ cấu trúc mạch công suất:Giới thiệu phương pháp điều khiển:

Phương pháp sóng điều hịa cơ bảnPhương pháp PWM

Trình bày kịch bản mơ phỏng:Thiết kế mạch

Thiết lập thơng sốMơ phỏng:

Tính tốn dịng, áp qua tảiTải ngắn mạch

Tính tham số van Điều chỉnh thơng số

Kiểm tra đánh giá

Trình bày kết quả mơ phỏng ( có bản vẽ A3)

Nhận xét, đánh giá kết quả thu được

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.3.Phân loại nghịch lưu 1 pha...10

1.4.u cầu cơng nghệ...12

1.5.Phạm vi ứng dụng...12

CHƯƠNG 2. Tính tốn và thiết kế mạch công suất...13

2.1 Một vài sơ đồ cơng suất có liên quan...13

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

3)Chọn thơng số máy biến áp:...27

CHƯƠNG 3. Mô phỏng mạch công suất...28

3.1 Sơ đồ cấu trúc mạch công suất...28

3.2 Giới thiệu các phương pháp điều khiển...28

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Hình 1.1: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha...8

Hình 1.2: Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm trung tính...8

Hình 1.3: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha...9

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu hình cầu...13

Hình 2.2: sơ đồ nghịch lưu hình bán cầu...13

Hình 2.3: sơ đồ nghịch lưu hình tia...14

Hình 2.4 sơ đồ nghịch lưu hình cầu...14

Hình 2.5 sơ đồ các góc thơng dịng của mạch...15

Hình 2.6 sơ đồ điện áp trên tải của mạch hình bán cầu...16

Hình 2.7 sơ đồ điện áp ra trên tải của mạch hình tia...16

Hình 2.8 sơ đồ điện áp ra trên tải và xung biểu thị của mạch hình tia...17

Hình 2.9. xung của mạch khi điện áp đạt đến 26V...18

Hình 2.10. cấu tạo mosfet...19

Hình 2.11. sơ đồ cấu tạo và hình ảnh mosfet...21

Hình 2.12. Datasheet mosfet...21

Hình 2.13. hình ảnh biến áp...25

Hình 3.1 sơ đồ mạch cơng suất...28

Hình 3.2 sơ đồ biểu thị phương pháp điều khiển PWM...29

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên với tình cảm sâu sắc và chân thành nhất, cho phép em được bày tỏlòng biết ơn đến tất cả các cá nhân và tổ chức đã tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡem trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này. Trong suốt thời gian từkhi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,giúp đỡ của q Thầy Cơ và bạn bè.

Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến Thầy Vũ Ngọc Minh khoa Điện tựđộng công nghiệp đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốtthời gian học tập tại trường. Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầycô nên đề tài nghiên cứu của em mới có thể hồn thiện tốt đẹp.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy/cô – người đã trực tiếp giúp đỡ,quan tâm, hướng dẫn em hoàn thành tốt bài báo cáo này trong thời gian qua.Bài báo cáo được lam trong suốt quá trình học .Bước đầu khi nghiên cứu bọnem còn những hạn chế và khơng tránh khỏi những thiếu sót , em rất mong nhậnđược những ý kiến đóng góp quý báu của Thầy Cô để kiến thức của em tronglĩnh vực này được hồn thiện hơn đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ýthức của mình.

Em xin chân thành cảm ơn

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

MỞ ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sảnsuất. Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều. Trong khi đónăng lượng điệu xoay chiều không kém phần quan trọng như:

 Hệ thống điện lưới quốc gia

Cung cấp cho các thiết bị điện gia dụng…

Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện 1 chiều thành năng lượng điện xoaychiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ nghịch lưu.

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượngxoay chiều. Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn như: Diod,Thyristor,Mosfet…

Có 5 loại nghịch lưu chính:

Nghịch lưu độc lập : làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ cácnguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiềuvới tần số pha tuỳ ý.

Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ ngun lý giống như chỉnh lưu có điềukhiển

Nghịch lưu dịng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dịngxoay chiều có tần số tùy ý.

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn ápxoay chiều với tần số tùy ý.

Nghịch lưu cộng hưởng: Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng làquá trình chuyển mạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

CHƯƠNG 1.

Tổng quan về công nghệ nghịch lưu

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Hình 1.1: Sơ đồ nghịch lưu cầu một pha

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Điện cảm đầu vào nghịch lưu đủ lớn Ld = do đó dịng điện đầu vàođược san phẳng (hình 1.3), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòngvà dạng dòng điện của nghịch lưu iN có dạng xung vng.

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id. Đồngthời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu được nạp điện vớidấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dịng quatụ giảm về khơng. Do iN = iC + iZ = Id = hằng số, nên lúc đầudịng qua tải nhỏ và sau đó dịng qua tải tăng lên.

Sau một nửa chu kỳ t = t1 người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4.Cặp T3, T4 mở tạo ra q trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực“-”.

Dịng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2bị khóa

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 1.3: Giản đồ xung của nghịch lưu cầu một pha

Quá trình chuyển mạch xảy ra gần như tức thời. Sau đó tụ C sẽ đượcnạp điện theo chiều ngược lại với cực tính “ + ” ở bên phải và cực tính“ – ” ở bên trái, dịng nghịch lưu iN = id = Id nhưng đã đổi dấu. Đếnthời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bịkhóa lại và q trình được lặp lại như trước.

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạchcho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi mở T3 và T4 , tiristo T1 và T2 sẽbị khóa lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên ( hình 1.3). Khoảng thờigian duy trì điện áp ngược t1 t1’ là cần thiết để duy trì quá trình khóavà phục hồi tính chất điều khiển của van và t1 – t1’ = tk toff ; toff làthời gian khóa của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chấtđiều khiển.

Trong đó : .tk là góc khóa của nghịch lưu.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

1.3. Phân loại nghịch lưu 1 pha

 Nghịch lưu độc lập : làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từcác nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thànhxoay 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 lưuđộc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính.

 Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưucó điều khiển. Mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưutrong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu vàgóc mở  của các tiristo thoả mãn điều kiện (/2 <  < ) lúc đócơng xuất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay. Tần sốvà điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lướixoay chiều.

 Nghịch lưu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thànhdòng xoay chiều có tần số tùy ý.

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấpđiện cho bộ biến đổi phải là nguồn dịng, do đó điện cảm đầuvào Ld thường có giá trị lớn vơ cùng để dòng điện là liên tục. Nghịch lưu 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 được sử dụng phổ biến trong thực tế.Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theophương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hịa bậccao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì cơngsuất của các

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sửdụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biếnđổi 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 thước gọn nhẹ, do đónghịch lưu áp trở thành bộ biến

đổi thơng dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần cơngnghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp trình bày sau đây sử dụngvan điều khiển hồn tồn.

Trong q trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là cáckhóa

điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng khơng nênđiện trở nguồn bằng không.

 Nghịch lưu cộng hưởng:

Đặc điểm cơ bản của nghịch lưu cộng hưởng là quá trình chuyểnmạch của van dựa vào hiện tượng cộng hưởng. Giá trị điện cảmkhông lớn như nghịch lưu dòng ( Ld = ) và không nhỏ hơnnghịch lưu áp ( Ld = 0 ), mà chiếm một vị trí trung gian sao chokhi kết hợp với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạchsẽ xuất hiện hiện tượng dao động .

1.4. Yêu cầu công nghệ

 Mạch là mạch công suất vì vậy linh kiện được sử dụng phầnlớn là linh kiện công suất. Mạch sử dụng các van bán dẫncông suất như Transistor, MOSFET, IGBT…Trong quátrình chạy mạch thì xung tạo ra là xung vuông và được

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

khuyếch đại lên bằng các van bán dẫn là Transistor,IGBT…

1.5. Phạm vi ứng dụng

 Cho đến ngày nay điện tử công suất hầu hết được ứngdụng rất nhiều trong các ngành cơng nghiệp hiện đại. Có thể kểra các nghành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểucủa 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 q trình điện phân trongcơng nghiệp hóa chất và trong rất nhiều các thiết bị công nghiệpvà dân dụng khác nhau... Trong những năm gần đây công nghệchế tạo các phần tử bán dẫn cơng suất đó có những tiến bộ vượtbậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộbiến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng và sử dụng ngàycàng dễ dàng hơn.

CHƯƠNG 2.

Tính tốn và thiết kế mạch cơng suất

2.1 Một vài sơ đồ cơng suất có liên quan

Nghịch lưu áp 1 pha có thể sử dụng 1 trong 3 sơ đồ sau

2.1.1 Sơ đồ cầu

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

2.1.2 Sơđồ bán cầu

Hình 2.1: Sơ đồ nghịch lưu hình cầu

Hình 2.2: sơ đồ nghịch lưu hìnhbán cầu

Hình 2.3: sơ đồ nghịch lưu hình tia

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

2.2 Phân tích ưu nhược điểm của các mạch cơng suất2.2.1 Sơ đồ cầu

dịng của các bộ khóa

Hình 2.4 sơ đồ nghịch lưu hình cầu

Hình 2.5 sơ đồ các góc thơng dịng của mạch

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

ΨR: Góc thơng dòng của các diode ngược

Sơ đồ này cho phép điều chỉnh tỉ số biến đổi nhờ điều khiển khôngđối xứng q trình đóng mở các cặp van.Bằng cách điều chỉnh góclệch pha giữa q trình đóng ,mở các van ta có thể điều chỉnh đượcđiện áp hiệu dụng ra tải.Từ đó cá khả năng điều chỉnh dạng điện áp ragần sin hơn.Tuy nhiên việc tính tốn điều khiển đóng mở các van nóichung khá phức tạp để tránh hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạchnguồn.

2.2.2 Sơ đồ bán cầu

Hình 2.6 sơ đồ điện áp trên tải của mạch hình bán cầu

-Với sơ đồ này ta chỉ có thể tiến hành điều chỉnh tần số f =1

T củađiện áp phụ tải U nhờ thay đổi thời gian đóng ,mở của các khóa điệnT1 và T2 mà khơng thay đổi được giá trị hiệu dụng U của điện ápxoay chiểu ở đầu ra của bộ biến đổi vì điện áp U trên tải có trị số hiệudụng khơng đổi

U =E

-Đồng thời cần 2 nguồn đối xứng nhau.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

2.2.3 Sơ đồ hình tia

Hình 2.7 sơ đồ điện áp ra trên tải của mạch hình tia

Sơ đồ này phải sử dụng biến áp có điểm giữa nên mạch cồngkềnh,đồng thời điện áp hiệu dụng ra trên tải cũng khơng thay đổiđược,nó ln là U =2 n2

-Trong nửa chu kỳ đầu khóa T1 đóng và T2 mở nên: UOA = E ;

-Trong nửa chu kỳ sau khóa T2 đóng và T1 mở nên: UOB = E ;

U =2n2

n1 E

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

U =−2n2

n1 E

Hình 2.8 sơ đồ điện áp ra trên tải và xung biểu thị của mạch hình tia

Trong điều kiện lí tưởng điện áp ra có dạng xung vng như hình trên.Nhưng trong thực tế, điện áp trong ắc quy sẽ bị hao hụt theo thời giannên sẽ có 2 trường hợp:

 Trường hợp 1: trong điều kiện ắc quy no điện áp sẽ đạt đến26V, khi đó ta phải đóng van sớm hơn so với mạch ban đầu

Hình 2.9. xung của mạch khi điện áp đạt đến 26V

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

 Trường hợp 2: trong điều kiện ắc quy bị hao hụt điện áp đếnmức thấp nhất thì ta phải đóng van muộn hơn so với mạchban đầu.

2.4 Tính chọn các van bán dẫn cho sơ đồ mạch

 Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor

Field Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và

hoạt động khác với Transistor thơng thường mà ta đã biết, Mosfetcó ngun tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dịngđiện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếchđại các nguồn tín hiệu yếu

 Mosfet là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bándẫn có thể sử dụng ở chế độ đóng cắt.Do sử dụng chuyển mạchbằng hiệu ứng trường nên quá trình chuyển mạch gây ra tổn haonhỏ,đi liền với đó là việc làm mát cho mosfet tương đối đơngiản.Do ở dải công suất nhỏ nên em sử dụng mosfet làm phần tửđóng cắt.

Cấu tạo mosfet như sau:

Hình 2.10. cấu tạo mosfet

 G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng

Mosfet kênh N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N,giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớpmàng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G.

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D làvô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện ápchênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS )

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở Rd s rất lớn, khi điện áp UGS > 0 =>do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở Rd s giảm, điện áp UGS cànglớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

Để chọn MOSFET cho mạch hình tia nghịch lưu điện áp thấp với cácthông số nguồn vào 24V, nguồn ra 110V, và công suất 500VA, bạncần xem xét một số yếu tố chính: điện áp chịu đựng (V_DS), dịngđiện (I_D), trở kháng kênh dẫn (Rd s (on)), và khả năng tản nhiệt. Dướiđây là các bước chi tiết:

1. Điện áp chịu đựng (Vdss):

- MOSFET phải có điện áp chịu đựng cao hơn điện áp đầu vào. Với nguồn vào 24V, nên chọn MOSFET có Vdss ít nhất gấp đơi điện áp nàyđể đảm bảo an tồn, tức là khoảng 50V hoặc cao hơn.

24 ≈ 23.125( A)

Dòng điện đầu vào trong trường hợp điện áp của ác quy bị hao hụt:

20 ≈ 27.75 (A )

-Vậy nên chọn MOSFET có dịng điện định mức cao hơn giá trị này,chọn MOSFET có Id tối thiểu khoảng 30A để đảm bảo an toàn.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

3. Rds¿on):

- Chọn MOSFET có trở kháng kênh dẫn (Rds(on)) thấp để giảm tổn hao công suất và nhiệt sinh ra. Rds (on) càng thấp thì MOSFET càng hiệu quả.

4. Khả năng tản nhiệt:

- Xác định công suất tiêu tán trên MOSFET bằng cơng thức:

P=Id2× Rds(on)

MOSFET có thể phù hợp với u cầu trên là IRLZ44N:- Vd ss= 55V

- Id = 47A

- Rd s (on) = 0.022Ω

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

5.Tính chọn cánh tản nhiệt của mosfet:1. Công suất khi dẫn trên mosfet:

 Dòng điện đầu vào (khi điện áp là 20V): I ≈ 27. 75 A

 Giả sử, với hiệu suất là 90% công suất đầu vào sẽ là ≈ 555.56 W

 Với MOSFET IRLZ44N, Rd s (on) = 0.022Ω  Tính tốn thời gian đóng mở van:

Thời gian mở van: ton=td(on)+tr=11+84=95 ns

Thời gian đóng van: toff=td(off )+ tf=26+15=41ns

 Cơng suất khi dẫn trên MOSFET

P=I2× RD(on)

× 0.022≈ 9.56 W¿

Cơng suất chuyển mạch( giả sử tần số chuyển mạch là 50khz):

Hình 2.11. sơ đồ cấu tạo và hình ảnh mosfet

Hình 2.12. Datasheet mosfet

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

2. Tính nhiệt độ (Tj):

 Nhiệt độ môi trường (Ta) giả định là 40°C.

 Nhiệt trở junction-to-case (Rθjcjc) của IRLZ44N là khoảng 1.0°C/W. Nhiệt trở junction-to-ambient (Rθjcja) của IRLZ44N là khoảng 62°C/

W (không sử dụng tản nhiệt).

3. Chọn cánh tản nhiệt:

 Để giữ nhiệt độ junction (Tj) dưới giới hạn tối đa (thường là150°C), chúng ta cần tính tốn cánh tản nhiệt (Rθjcsa) cần thiết. Tổng nhiệt trở từ junction to ambient (Rθjcja) cần đạt:

- Chọn cánh tản nhiệt với giá trị nhiệt trở tản nhiệt nhỏ hơn hoặc

bằng 8°C/W để đảm bảo MOSFET hoạt động ổn định và khôngbị quá nhiệt.

- Cánh tản nhiệt phù hợp là cánh tản nhiệt dạng pin:

Wakefield-Vette 658-35AB, có điện trở nhiệt khoảng 6°C/W, chiềudài:27,94 mm, chiều rộng: 27,94 mm, chiều cao: 8,89mm

2.5 Tính chọn các phần tử bảo vệ

Để chọn các phần tử bảo vệ cho mạch nghịch lưu điện áp thấp sửdụng MOSFET với nguồn vào 24V, nguồn ra 110V, và công suất500VA, cần xem xét các thành phần bảo vệ như cầu chì, diode bảo vệ,và các mạch bảo vệ chống quá áp và quá dòng.

1) Mạch bảo vệ quá áp:

 Công suất đầu vào: 555.56W (với hiệu suất 90%). Dòng điện đỉnh: I ≈ 23.15( A)

</div>