Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn UPS công suất nhỏ luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ
NGUỒN UPS CÔNG SUẤT NHỎ
Sinh viên thực hiện:

DƯƠNG ĐÌNH HÙNG
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: THS. HỒ SỸ PHƯƠNG

NGHỆ AN, 01 − 2012


MỤC LỤC

MỤC LỤC................................................................................................................ 2


Mục lục hình vẽ

Hình 1.1.Sử dụng nguồn UPS cho tải số
Hình 1.2. Một số sơ đồ UPS

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter
Hình 1.4. Sơ đồ nghịch lưu hình tia.
Hình 1.5. Sơ đồ bộ nghịch lưu hình cầu.
Hình 1.6. Phương pháp điều chế PWM
Hình 1.7. Bộ lọc LC[1]
Hình 1.7. Bộ lọc hai mắt cộng hưởng[1]
Hình 1.8. Bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]
Hình 1.9. Bộ lọc LC[1]
Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực cho Inverter
Hình 2.2. Máy biến áp
Hình 2.3. Lõi thép chữ E
Hình 2.4. Các kích thước của lõi thép
Hình 2.5. Mạch Full-Bridge
Hình 2.6. Ký hiệu Mosfet
Hình 2.7. Hình ảnh IRF3205
Hình 2.8. Mạch đệm
Hình 2.9. Lọc hai mắt cộng hưởng nối tiếp[1
Hình 2.10 Lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]
Hình 2.11. Lọc LC[1]
Hình 2.12. Lọc LC.[1]
Hình 3.1. Phương pháp điều chế SPWM.
Hình 3.2. Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung


Hình 3.3. Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực.
Hình 3.4. Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển
Hình 3.6. Tín hiệu điều khiển các van
Hình 3.7 Đồ thị điện áp hình sin tần số 50Hz.
Hình 3.8. Sơ đồ chân PIC16F877A

Hình 3.9. Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A
Hình 3.10. Sơ đồ khối Timer2
Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC
Hình 3.12. Thanh ghi T2CON
Hình 3.13. Sơ đồ khối modul PWM
Hình 3.14. Xung điều chế PWM
Hình 3.15. Đồ thị điều chế PWM
Hình 3.16. Đồ thị
Hình 3.17. Lưu đồ chương trình điều khiển
Hình 3.18. IC IR2103
Hình 3.19. Sơ đồ chân của IC IR2103
Hình 3.20. Sơ đồ các khối chức năng của IC IR2103
Hình 3.21. Quan hệ logic giữa các chân vào ra
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý mạch trôi áp BOOTSTRAP
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch phản hồi
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng bộ Inverter
Hình 4.2. Dạng xung điều khiển mosfet
Hình 4.3. Dạng sóng đầu ra
Hình 4.4. Mạch thực nghiệm trên board hàn.
Hình 4.5. Đo hiệu điện thế hiệu dụng.
Hình 4.7 Đo hiệu điện thế hiệu dụng.


Hình 4.6. Thử nghiệm với tải là bóng đèn.


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nhà nước ta đang đẩy mạnh phát triển điện lực. Các nhà máy thủy điện,
nhiệt điện được xây dựng nhiều song vẫn chưa đáp ứng được như cầu sử dụng của nhân
dân. Đây chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng mất điện luân phiên ở nhiều địa
phương. Làm ảnh hưởng không nhỏ đến nền kinh tế cũng như trong sinh hoạt. Để khắc
phục vấn đề này cần có một thiết bị chuyển đổi điện năng tích trữ thành năng lương điện
lưới. Từ yêu cầu thực tế này,em tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo khối Inverter
cho bộ nguồn UPS.
Đồ án gồm 4 chương và phần phụ lục xoay quanh các vấn đề lý thuyết về việc chế
tạo khối Inverter theo phương pháp điều chế SPWM. Qua đó tiến hành thiết kế nguyên lý
mạch để mô phỏng và thi công mạch thật. Mặc dù em đã cố gắng, song đồ án này không
tránh khỏi những thiếu sót.Em mong được sự quan tâm, chỉ bảo của các thầy cô giáo
trong bộ môn.
Để hoàn thành đồ án này trước hết em xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Sỹ Phương
đã nhiệt tình hướng dẫn chỉ bảo em trong mọi hoàn cảnh. Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày… tháng … năm 2011
Sinh viên thực hiện
Dương Đình Hùng

1


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1.

Tìm hiểu bộ nguồn UPS

Vào cuối thế kỷ 20, độ tin cậy cung cấp điện của các nước công nghiệp phát
triển vào khoảng 99.9%, tương ứng khoảng thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ
mà phổ biến dưới dạng mất điện trong một vài phút. Điều này không thành vấn đề
đối với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ, tức với kỹ thuật tương tự
(analog), chất lượng điện chỉ bao gồm hai chỉ tiêu quan trọng nhất là điện áp và tần
số.Nhưng đối với hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy. Đặc
biệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ
kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm gia tăng sản phẩm,
giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội.Độ tin cậy cung
cấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉ
trong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trình
trao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại.
Nguồn điện dự
phòng
UPS
( uninterruptible power
supply ) là nguồn dự
phòng trong khoảng thời
gian sau khi nguồn chính
bị sự cố. Nó là thiết bị
cung cấp điện năng có
khả năng duy trì điện thế
ổn định, bên cạnh đó
UPS còn có thêm một
chức năng như chống
xung , lọc nhiễu, ổn áp có
khả năng quản trị năng
lượng cho cả hệ thống .
Hình 1.1.Sử dụng nguồn UPS cho tải số
2

Chương 1: Tổng quan công nghệ

Cấu trúc chung của một bộ nguồn dự phòng là một khối Inverter biến đổi dòng
điện một chiều thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho tải tiêu thụ . Nguồn điện
một chiều lấy từ acquy , tùy theo điều kiện mà acquy có thể nạp trực tiếp từ nguồn
sau đó đấu nối trực tiếp vào mạng để sứ dụng, hoặc nạp acquy từ một nguồn khác
trong mạng. Tùy vào các cách đấu nối acquy với mạng điên mà ta có các công nghệ
ups khác nhau. Hình 1.2 giới thiệu một số sơ đồ UPS đã được ứng dụng rộng rãi.

Lưới
Tải

Bộ nạp điện

a)

Lưới

Inverter

Ác quy

Sơ đồ UPS offline

Bộ nạp điện

Inverter

Ác quy

b)

Sơ đồ UPS online

Hình 1.2. Một số sơ đồ UPS

1.2.

Khối Inverter
3

Tải


Chương 1: Tổng quan công nghệ

1.2.1. Khái niệm Inverter
Inverter là thiết bị chuyển đổi trực tiếp nguồn điện áp hoặc dòng điện một chiều
thành nguồn điện áp hay nguồn dòng điện xoay chiều.
1.2.2. Cấu tạo của bộ Inverter

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter

Quan sát sơ đồ khối trên ta thấy bộ Inverter gồm có bốn bộ phận chính đó là bộ
nghịch lưu, mạch điều khiển, mạch lọc đầu ra, mạch phản hồi.
a. Khối nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang năng
lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

Dựa vào các tính chất của tải, cấu tạo bộ nghịch lưu hay tính chất nguồn cung
cấp, bộ nghịch lưu được phân loại như sau:
-

Phân loại các bộ nghịch lưu theo số lượng pha:

+

Nghịch lưu một pha.

+

Nghịch lưu ba pha.

+

M-pha.

4


Chương 1: Tổng quan công nghệ

- Phân loại theo tính chất nguồn:
+ Nghịch lưu nguồn dòng: Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu
nguồn dòng có tính nguồn dòng điện.
+ Nghịch lưu nguồn áp: Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu nguồn áp
có tính nguồn điện áp.
- Phân loại theo sơ đồ:
+ Nghịch lưu theo sơ đồ hình tia: Hai van Q1 và Q2 (hình 1.3)được điều khiển

để tạo điện áp xoay chiều trên tải.

Q1

C1

LOAD

Q2
C2

Hình 1.4. Sơ đồ nghịch lưu hình tia.
+ Nghịch lưu theo sơ đồ hình cầu: Hình 1.5 là sơ đồ nghịch lưu hình cầu(full
bridge). Trong nửa chu kì đầu, cặp van (Q1,Q2) dẫn, dòng điện qua tải theo chiều từ a
đến b. Trong nửa chu kì sau, cặp van (Q3,Q4) dẫn, dòng điện chạy theo chiều từ b đến
a. Từ đó, tạo điện áp xoay chiều trên tải.
Loại van được sử dụng trong mạch Full Bridge tùy thuộc vào ứng dụng, nếu
là nghịch lưu độc lập điện áp thì sử dụng các van điều khiển hoàn toàn như BJT,
MOSFET, IGBT, GTO. Nếu là nghịch lưu độc lập dòng điện hoặc nghịch lưu độc lập
cộng hưởng thì thường dùng Thyristor. Nếu ứng dụng cần làm việc với tần số cao thì
nên dùng MOSFET.

5


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Q3

Q1

a

LOAD

b

Q2

Q4

Hình 1.5. Sơ đồ bộ nghịch lưu hình cầu.
b. Khối điều khiển
Mạch điều khiển phát xung điều khiển tác động trực tiếp vào bộ nghịch lưu,
đóng ngắt các van bán dẫn để thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều
sang nguồn điện xoay chiều. Có nhiều phương pháp điều khiều đóng ngắt van để
chuyển đổi từ nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều đơn giản nhất là phương pháp
tạo xung vuông ở đầu ra ở nghịch lưu, nhưng phương pháp này ngày càng được hạn
chế sử dụng. Nguyên nhân là do điện áp ra là xung vuông và còn tồn tại nhiều sóng hài
bậc cao làm ảnh hưởng tuổi thọ và an toàn cho thiết bị sử dụng. Để khắc phục được
những nhược điểm đó chúng ta phải làm cho điện áp đầu ra phải là sóng sin, do đó cần
phải có phương pháp điều khiển hiệu quả, thực tế người ta sử dụng hai phương pháp
sau:
- Phương pháp thứ nhất là dùng bộ lọc tần số thụ động đây chính là khối lọc
đầu ra.
- Phương pháp thứ hai là cộng điện áp nhiều nghịch lưu độc lập với góc lệch
pha nhau hoặc tần số khác nhau.
- Phương pháp băm xung chọn lọc trong khoảng van dẫn.
6

Chương 1: Tổng quan công nghệ

- Phương pháp điều chế SPWM: Các bộ nghịch lưu đề cập trong phần trên là
những bộ nghịch lưu mà dạng sóng của dòng điện hoặc điện áp đầu vào bộ nghịch lưu
là những xung vuông hoàn toàn hoăc xung có nhảy cấp mà ta còn có thể gọi là chung
là những bộ nghịch lưu nhảy cấp. Bộ nghịch lưu nhảy cấp loại này có những thuận lợi
và hạn chế nhất định trong điều khiển và dạng sóng đầu ra. Thuận lợi chủ yếu là vấn
đề điều khiển, trong điều khiển, ở một chừng mực nhất định, thì kết cấu của mạch điều
khiển tương đối đơn giản, thời gian đóng cắt của van bán dẫn được cố định trong một
chu kì. Ta thấy cả hai bộ nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp đề cập ở trên thì trong
một nửa chu kì điện áp cơ bản đầu ra thì các van bán dẫn chỉ đóng cắt một lần duy
nhất. Có thể nói rằng tần số đóng cắt của van bán dẫn bằng hai lần tần số của sóng cơ
bản bộ nghịch lưu. Khả năng chuyển mạch của van bán dẫn yêu cầu không cao, do vậy
có thể dùng cho mạch công suất lớn vì các van bán dẫn công suất lớn có tốc độ chuyển
mạch thấp, các van công suất càng lớn thì tốc độ chuyển mạch càng chậm. Bên cạnh
ưu điểm trên thì bộ nghịch lưu nhảy cấp trên bộc lộ một số nhược điểm, nhược điểm
lớn nhất là khả năng sin hoá dòng điện hoặc điện áp không cao. Do đóng cắt cung cấp
cho tải những xung vuông nên khi tải là đông cơ sẽ xuất hiện sóng hài bậc cao không
mong muốn. Sóng hài xuất hiện làm tổn hao trong mạch tăng lên và độ tinh chỉnh
trong điều khiển giảm. Khi tần số đầu ra yêu cầu càng thấp thì sóng hài xuất hiện càng
nhiều và khi tốc độ cận không thì hai bộ nghịch lưu dạng này mất khả năng kiểm soát
tốc độ, đặc biệt là bộ nghịch lưu nguồn dòng.
Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ra đời khắc phục được nhược điểm của
hai bộ nghịch trên. Dạng sóng đầu ra của bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM
- Pulse Width Modulation) được điều biến gần sin hơn, thành phần hài bậc cao được
loại trừ đến mức tối thiểu, khả năng điều khiển thích nghi theo mọi cấp điện áp và mọi
tần số trong dải tần số định mức. Bằng phương pháp SPWM ta có thể điều khiển được
động cơ thích nghi theo một đường đặc tính cho trước. Nhược điểm lớn nhất của bộ
nghịch lưu SPWM là yêu cầu van bán dẫn có khả năng đóng cắt ở tần số lớn.

Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang và sóng
điều biến. Hình 1.6 là phương pháp điều chế PWM.
+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn, có thể đến hàng
chục thậm chí hàng trăm kHz

7


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Hình 1.6. Phương pháp điều chế PWM
+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản
đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của
mạch nghịch lưu
Nhược điểm lớn nhất của bộ nghịch lưu SPWM là yêu cầu van bán dẫn có khả
năng đóng cắt ở tần số lớn, dẫn đến gây nhiễu cho các thiết bị khác.
d. Mạch lọc đầu ra nghịch lưu
Để tần số điện áp đầu ra là 50(Hz) như tiêu chuẩn của lưới điện, đồng thời loại
bỏ hết các sóng hài bậc cao có hại cho thiết bị sử dụng thì nhất thiết phải cần đến bộ
lọc tần số cho đầu ra nghịch lưu. Với tải điện trở công suất dòng lớn thì bộ lọc thụ
động là phương án thích hợp nhất, bộ lọc thụ động được thực hiện bằng các phần tử
thụ động L và C điều này dẫn đến tổn thất công suất, không thể tránh khỏi làm giảm
hiệu suất hệ thống, mặt khác làm tăng đáng kể kích thước của mạch. Hơn thế nữa hiệu

8


Chương 1: Tổng quan công nghệ

quả của bộ lọc thụ động cho kết quả không cao. Dưới đây là một số kiểu mạch thụ

động:
- Mạch lọc hai mắt cộng hưởng

Hình 1.7. Bộ lọc hai mắt cộng hưởng[1]
- Mạch lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp

Hình 1.8. Bộ lọc một mắt cộng hưởng nối tiếp[1]
- Mạch lọc LC

Hình 1.9. Bộ lọc LC[1]
e. Khối mạch phản hồi
Khối mạch phản hồi có nhiệm vụ tiếp nhận các đại lượng đầu ra để đưa về khối
điều khiển. Khối điều khiển sẽ tiếp nhận thông tin và điều chỉnh thông số để hệ thống
hoạt động theo yêu cầu công nghệ. Trong bộ nguồn UPS, có nhiều tín hiệu cần được
phản hồi để bảo đảm tính ổn định như phản hồi điện áp, phản hồi dòng điện, quá tải,
ngắn mạch…

9


Chương 1: Tổng quan công nghệ

Trên đây là sơ lược về khối chuyển đổi năng lượng điện áp một chiều sang năng
lượng điện áp xoay chiều (Inverter) trong bộ nguồn UPS. Điện áp đầu ra sau khối
Inverter là tiêu chí quan trọng để đánh giá một bộ nguồn UPS. Trong khuôn khổ đồ án
này, em đi sâu vào nghiên cứu thiết kế bộ Inverter cho nguồn UPS sử dụng phương
pháp điều chế SPWM.

1.3. Bài toán thiết kế
1.3.1. Số liệu hoạt động

Thiết kế bộ Inverter một pha với các số liệu như sau:
- Công suất đầu ra 30(VA)
- Điện áp của nguồn một chiều là 12(V)
- Điện áp ra xoay chiều hình sin 110(V) dao động trong dải ± 5% điện áp định mức.
- Tần số nguồn điện đầu ra là 50(Hz).
1.3.2. Yêu cầu đối với bộ Inverter
- Làm việc ổn định.
- Có hệ thống giao diện báo hiệu và bảo vệ khi xảy ra sự cố.
- Triệt tiêu hết các sóng hài bậc cao chỉ cho ra tần số cơ bản.
- Kích thước gọn nhẹ linh động, dễ dàng vận hành cho người sử dụng và đơn giản
trong sửa chữa tu bổ.
- Tuổi thọ lớn, trong quá trình làm việc không rung ồn, không gây nhiễu cho các thiết
bị xung quanh.
- Chi phí vật tư vật lực thấp nhất có thể để đủ khả năng cạnh tranh với các sản phẩm
cùng chức năng trên thị trường.

10


Chương 2. Thiết kế mạch lực

Chương 2
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1. Sơ đồ mạch lực
Để thuận tiện cho cho việc điều khiển bằng phương pháp SPWM. Ta sử dụng bộ
nghịch lưu hình cầu (Full-bridge). Sơ đồ mạch lực như hình 2.1.

Q1

R3

R1

C1

Q3

C3
Lf
Cf

C4

LOAD

C2
Q2

Q4

BA

R2

R4

Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực cho Inverter
2.2. Tính chọn máy biến áp
Nghịch lưu được điều khiển theo phương pháp SPWM nên ta sử dụng biến áp
thường. Ngoài chức năng khuếch đại điện áp, biến áp thường còn có nhiệm vụ lọc sóng

hài bậc cao sau bộ chỉnh lưu.
2.2.1. Cấu tạo và đặc điểm của máy Biến áp
Máy Biến áp được cấu tạo từ hai bộ phận chính.

11


Chương 2. Thiết kế mạch lực

a) Hình dáng biến áp thường

b) Ký hiệu máy biến áp

c) cấu tạo máy biến áp

Hình 2.2. Máy biến áp
a. Lõi biến áp
Lõi biến áp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện.Các lá thép kỹ thuật điện
được dập thành hình dạng thích hợp rồi ghép lại tạo thành lõi thép còn lõi Ferrit thì được
đúc thành hình khối liền có hình dạng thích hợp.
Lõi biến áp là mạch từ khép kín từ thông chạy trong mạch.
b. Dây quấn biến áp
Là dây dẫn điện (dây đồng, dây nhôm) được sơn cách điện rất tốt, có khả năng
chịu nhiệt, chịu tác động của các lực cơ học và lực điện từ tốt được quấn thành từng cuộn
dây rồi lồng vào trụ thép.
Trên cùng một trụ cuộn dây có điện áp cao nằm trong còn cuộn có điện áp thấp thì
nằm ngoài để giảm độ dày của ống cách điện.

12

Chương 2. Thiết kế mạch lực

2.2.3. Vai trò của máy Biến áp
- Biến áp là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch.
- Tăng áp ở phía thứ cấp.
- Làm suy yếu cấc sóng hài bậc cao sinh ra sau mạch cầu Full-Bridge đồng thời đưa ra
thứ cấp sóng cơ bản và một số sóng hài bậc thấp. Khi đó lõi thép sẽ nóng do sóng hài bậc
cao bị hấp thụ ở phía sơ cấp.
2.2.4. Tính toán và thiết kế máy Biến áp
- Số liệu bài ra như sau:
+ Hiệu điện thế hiệu dụng đặt vào sơ cấp biến áp là: U1 = 12(V)
+ Hiệu điện thế hiệu dụng ở đầu ra thứ cấp là: U2 = 110(V)
+ Tần số làm việc của dòng điện là 50(Hz), hình sine.
+ Công suất đầu ra của bộ Inverter là S2 = 30(VA)
+ Giả sử hiệu suất chuyển đổi của biến áp là 86%.
- Các bước để thiết kế một máy biến áp.
a. Tính công suất máy biến áp
- Chọn hiệu suất của máy biến áp là 86% thì công suất bộ nghịch lưu cấp cho sơ cấp máy
biến áp là:
S1 = = = 35(VA)

(2.1)

- Dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp là:
I1 =

s
u

1

= = 2.9 (A)

(2.2)

1

- Dòng điện trong cuộn thứ cấp của máy biến áp là:

I2 = = = 0.27(A)
b. Chọn mạch từ và tính toán tiết diện lõi thép
- Chọn mạch từ

13

(2.3)


Chương 2. Thiết kế mạch lực

+ Khi chọn mạch từ của biến áp cần lưu ý đến trụ và cửa sổ. Trụ của mạch từ phải có tiết
diện phù hợp với công suất của máy. Cửa sổ cần có kích thước phù hợp để có thể đặt vừa
cuộn dây.
+ Những máy biến áp công suất nhỏ thường dung mạch từ kiểu vỏ. Đối với loại mạch từ
này tiết diện trụ không quấn dây bằng một nữa tiết diện trụ quấn dây.
- Tính tiết diện lõi thép
+ Tiết diện hữu ích của lõi thép cần chọn là:
Si = 1.2 ∗

s

1

= 1.2 ∗

35 = 7.1(cm2)

(2.4)

+ Do các lá thép có sơn cách điện và độ cong vênh nhất định nên tiết diện thực của lõi
thép bao giờ cũng lớn hơn diện tích có ích.
+ Tiết diện của lõi biến áp mà ta đo được là: St =

s

i

kg

=

+ Trong đó:
• a, b là kích thước bề rộng và bề dài của lõi.
• kg là hệ số ghép phụ thuộc vào chất lượng của lá thép thương kg = (0.8 ÷ 0.9), kg
được chọn theo kinh nghiệm như sau:
• kg = 0.9 đối với lá thép chữ E có bề dày là 0.35mm.
• kg = 0.93 đối với là thép chữ E có bề dày là 0.5mm.
• kg = (0.8 ÷ 0.85) đối với lá thép chữ E bị han rỉ và lồi lõm.
+ Lá thép được chọn là lá thép hình chữ E có độ dày 0.35mm (H: là chiều cao toàn bộ lõi

thép: H = h + a).
+ Vậy tiết diện đo được của của lõi thép là: St = = 8(cm2)
c. Tính số vòng dây
- Số vòng dây cho 1 Volt được tính như sau:
n=

(2.5)

14


Chương 2. Thiết kế mạch lực

Hình 2.3. Lõi thép chữ E
- Trong đó:
+ n là số vòng ứng với 1 Vôn.
+ K là hệ số phụ thuộc vào tần số dòng điện và bản chất của lõi, thường lấy trong khoảng
(35 ÷ 50) theo kinh nghiệm chọn 40. Nếu thép tốt lấy giá trị K thấp, thép xấu lấy K cao.
+ B là cảm ứng từ trong lõi thép và được chọn theo hàm lượng Silic chứa trong lá thép,
nhưng thông thường lấy trong khoảng (0.8 ÷ 1.2)T.
- Như vậy n = = = 4(vòng/ V)

(2.6)

- Số vòng dây cho cuộn sơ cấp
N 1 = U1

n=6

4 = 24(vòng)

(2.7)

- Số vòng dây cho cuộn thứ cấp
N2 = (U2 + 10%U2 )

n = (220 + 22)

4 = 968 (vòng)

(2.8)

+ Trong đó 10%U2 là lượng sụt áp khi có tải bên thứ cấp.
d. Tính toán tiết diện và đường kính dây quấn
- Tiết diện dây quấn
+ Tiết diện dây quấn của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tỉ lệ thuận với cường độ dòng
điện chạy trong nó. Mật độ dòng điện cho phép là số ampe trên một mm 2 dây dẫn để khi
vận hành liên tục vẫn không quá nóng. Mật độ dòng điện J được chọn sao cho phù hợp
với điều kiện làm việc và nhiệt độ làm việc của dây dẫn trong khoảng cho phép. Mật độ
J(A/mm2) dòng điện cho phép thay đổi theo công suất và được xác định bằng thực
nghiệm.
15


Chương 2. Thiết kế mạch lực

+ Cách chọn mật độ dòng điện J theo công suất.
* Với J = 4(A/mm2) cho công suất từ (0 ÷ 50) (VA).
* Với J = 3.5(A/mm2) cho công suất từ (50 ÷ 100) (VA).
* Với J = 3(A/mm2) cho công suất từ (100 ÷ 200) (VA).

* Với J = 2.5(A/mm2) cho công suất từ (200 ÷ 250) (VA).
* Với J = 2(A/mm2) cho công suất từ (500 ÷ 1000) (VA).
+ Như vậy mât độ dòng điện trong dây quấn cần phải chọn là J = 4 (A/mm 2), từ đó ta
tính được tiết diện dây điện từ cho mỗi cuộn như sau:
* Tiết diện của dây quấn sơ cấp.
A1 = = = 0.75(mm2)

(2.9)

* Tiết diện của dây quấn thứ cấp.
A2 =

I
J

2

= = 0.035(mm2)

(2.10)

2

- Đường kính dây quấn
+ Với dây quấn có tiết diện tròn ta tính được:
* Đường kính của dây quấn sơ cấp.
d1 = = = 0.96(mm)

(2.11)

* Đường kính của dây quấn thứ cấp.
d2 =

4 ∗ A2

π

=

4 ∗ 0.35
= 0.2(mm)
π

e. Diện tích cửa sổ cần dùng
Scs = =

(2.13)

- Trong đó:
+ SSC, STC là diện tích dây quấn sơ cấp và thứ cấp.

16

(2.12)


Chương 2. Thiết kế mạch lực

+ Kt là hệ số lấp đầy đặc trưng cho phần cách điện và khoảng hở khi quấn được chọn
theo bảng sau:

Bảng 2.1. Hệ số lấp đầy cửa sổ
Công suất biến áp(VA)

Hệ số lấp đầy Kt

10 ÷ 100

0.2

100 ÷ 500

0.3

500 trở lên

0.4

- Công suất của máy biến áp là 60(VA) nên theo bảng ta chọn Kt = 0.2
- Ta tính được:
Scs = = 1083(cm2)
- Tra phụ lục 7 trong tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất ta chọn được loại lõi
phù hợp với công suất đầu vào của biến áp.
Bảng 2.2. Các thông số của lõi biến áp
Loại lõi:
a

h

c

C

H

B

Qt

Ltb

QtQc Vt

mm

mm

mm

mm

mm

mm

cm2

cm

cm4

Gt

cm3 g

s

S

(VA) (VA)
50Hz 40Hz

25

62.5

25

100

87.5 50

11.4

21.4 195

244 1930 160

- Xem xét bảng số liệu ta thấy biến áp được chọn thõa mãn yêu cầu của bài toán.

17

800


Chương 2. Thiết kế mạch lực

Hình 2.4. Các kích thước của lõi thép

2.3. Tính toán mạch van
2.3.1. Cấu tạo của mạch van
Mạch gồm có bốn van bán dẫn được đấu nối theo cầu H hay còn gọi là mạch Full
bridge. Mỗi van được mắc với một mạch đệm RC để bảo vệ van trong quá trình làm việc.
2.3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch Full-bridge
Tùy vào yêu cầu công nghệ mà ta có các cách điều khiển mạch full-bridge khác
nhau. Một số đặc điểm của mạch full-bridge:
- Khi mở đồng thời hai van cùng một phía sẽ gây ngắn mạch, nguy hiểm cho
hệ thống.
- Muốn có dòng qua tải thì một trong hai cặp van(Q1,Q2) hoặc (Q3,Q4) phải
đồng thời cùng mở.

2.3.3. Tính toán chọn van
a. Các yêu cầu đối với van đóng ngắt
- Có khả năng đóng cắt với tần số cao
- Có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn
- Tổn thất trên van khi mở nhỏ nhất
- Tuổi thọ làm việc lâu dài và ổn định

18

Chương 2. Thiết kế mạch lực

Q3

Q1

a

LOAD

b

Q2

Q4

Hình 2.5. Mạch Full-Bridge
- Có hai sự lựa chọn chính cho việc sử dụng khóa đóng cắt công suất trong điều khiển
nghịch lưu đó là MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện
được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều
khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực GATE của linh kiện thay vì là dòng điện trong
các bộ nghịch lưu sử dụng Transistor như trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện
này làm cho điều khiển trở nên dễ dàng hơn. Việc đóng cắt linh kiện cũng sẽ gây nên tổn
hao công suất, công thức xác định tổn hao công suất được trình bày như sau:
- MOSFET

Hình 2.6. Ký hiệu Mosfet
+ Công suất tổn hao khi làm việc của MOSFET là.

19

Chương 2. Thiết kế mạch lực

PLOSS = Irms2 RDS-on (W)
Trong đó:
* Irms(A) là dòng điện chạy qua MOSFET khi làm việc.
* RDS( ) là điện trở giữa cực Drain và cực Source khi dẫn.
- IGBT
+ Công suất tổ hao khi làm việc của IGBT là.
PLOSS = Iave VCE-SAT (W)
Trong đó:
* VCE-SAT là điện áp bão hòa giữa hai cực Collector và cực Emittor
* Iave là dòng điện trung bình chạy từ cực Collector đến cực Emittor
b. Các thông số làm việc của van
- Giả sử hiệu suất của máy biến áp là 86% như vậy công suất của bộ nghịch lưu đưa vào
sơ cấp của biến áp là:
S1 = = = 35(VA)
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp.
I1 =

= 5.8(A)

- Dòng cực đại chạy qua van:
Idmax =

I1

=

2∗ 2
π

5.8 =5.22(A)

- Dòng điện trung bình chạy qua Mosfet là.
ITBmax = =

5.22
2

=2.61(A)

- Điện áp thuận lớn nhất đặt lên van là.
Uthuận max van = + E = 12(V)
Từ kết quả tính toán trên ta thấy rằng sử dụng van Mosfet IRF3205 là sự lựa chọn
phù hợp cho ứng dụng đồng thời có thể phát triển ứng dụng cho tương lai. Dưới đây là
một số thông tin về Mosfet IRF3205.

20