đồ án 2 thiết kế nghịch lưu 1pha DA2

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU
(BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA)

1

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


PHỤ LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................3
1.1. Đặt vấn đề……………………………………………………………………………..3
1.2. Các linh kiện bán dẫn công suất...................................................................................4
1.2.1. Mosfet................................................................................................................4
1.2.2. Transistor...........................................................................................................6
1.2.3. Thyristor.............................................................................................................9
1.2.4. Máy biến áp………... ………………………………………………………..12
1.3. Giới thiệu về Nghịch lưu............................................................................................15
1. 3.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu........................................................15
1.3.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha..............................................................17
1.3.3. Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu...........................................................20
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ,TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU.........22
2.1. Thiết kế mạch nghịch lưu……………………………………………………………22
2.1.1. Phân tích yêu cầu thiết kế mạch nghịch lưu.....................................................22
2.1.2. Phương pháp lựa chọn......................................................................................23
2.1.3. Thiết kế mạch nghịch lưu sử dụng IC CD4047và MOSFET D718…………..23
2.2. Tính toán và chế tạo mạch nghịch lưu........................................................................25
2.2.1. Tính toán máy biến áp......................................................................................25
2.2.2. Mạch lực..........................................................................................................27
2.3. Kết quả mô phỏng......................................................................................................29
2.3.1. Mô phỏng mạch nghịch lưu dùng phần mềm PROTUES………...………….29

2.3.2. Mô phỏng mạch nghịch lưu sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK…...31
KẾT LUẬN......................................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................33
1

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại ngày nay điện tử công suất đóng một vai trò hết sức quan trọng
trong đời sống. Việc biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhờ các mạch công
suất được ứng dụng rộng rãi. Đặc biệt nhờ có sự phát triển của van bán dẫn công suất mà
lĩnh vực này ngày càng phát triển mạnh mẽ.Ta có thể phân loại thành một số dạng biến
đổi sau: AC→DC (Chỉnh lưu) ; DC→AC (Nghịch lưu) AC→AC (Điều chỉnh điện áp
xoay chiều); DC→DC (Điều chỉnh điện áp một chiều). Mỗi nhóm trên đều có những ứng
dụng riêng của nó trong từng lĩnh vực cụ thể.
Quá trình thực hiện đồ án này dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.NGUYỄN HOA LƯ
chúng em đi sâu tìm hiểu mảng biến đổi năng lượng một chiều ra năng lượng xoay chiều
mà cụ thể là mạch kích điện áp 12V một chiều lên điện áp 220V xoay chiều . Mạch này
được ứng dụng nhiều trong đời sống sinh hoạt. Mạch có nhiêm vụ cung cấp nguồn năng
lượng cho tải khi xảy ra sự cố mất điện.Do thời gian thực hiện không nhiều nên còn nhiều
hạn chế.Chúng em sẽ tiếp tục tìm hiểu và phát triển mở rộng hơn nữa các ứng dụng của
mạch sau này.
Trong thời gian thực hiện đồ án vừa qua em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn
và chỉ bảo tận tình của PGS.TS.NGUYỄN HOA LƯ. Thầy đã giúp chúng em có được
thêm nhiều những kiến thức và kinh nghiệm quý báu để phục vụ cho việc học tập cũng
như cho công việc trong tương lai. Sau đây chúng em xin trình bày về những kiến thức
chúng em đã tìm hiểu được trong thời gian vừa qua. Vì kiến thức còn hạn chế và thời gian
tìm hiểu cũng chưa nhiều nên đồ án của em không thể tránh khỏi sai sót. Vậy em rất
mong sự góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

2

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.Đặt vấn đề
Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện - điện tử, nghiên cứu và
ứng dụng 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 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.

Ngày nay, khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, sự quá tải của hệ thống điện lưới
làm chúng ta thường xuyên bị mất điện. Trong cuộc sống ngày nay chúng ta đã quá phụ
thuộc vào điện. Những lúc mất điện, chúng ta cần một nguồn điện dự trữ để mang ra sử
dụng. Ngày nay, hầu hết nguồn điện được lưu trữ ở nguồn điện một chiều 12V hoặc 16V
hoặc 24V, trong khi hầu hết các thiết bị điện của chúng ta sử dụng nguồn điện 220V xoay
chiều. Để sử dụng được các thiết bị điện, ta cần một mạch biến đổi điện áp 12V DC thành
220v AC. Thiết bị đó được gọi chung là nghịch lưu.
1.2. Các linh kiện bán dẫn công suất
1.2.1. Mosfet
● Giới thiệu về Mosfet
3

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Hình 1.1: Transistor hiệu ứng trừơng Mosfet
Transistor MOSFET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán
dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic) [1]
MOSFET có hai loại:
+ N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn
tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
+ P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ
Gate
● Cấu tạo và kí hiệu

Hình 1.2: Cấu tạo và kí hiệu

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

● Nguyên lý hoạt động
Xét loại kênh dẫn n.
- Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi 2 nguồn điện áp: UDS > 0 và UGS < 0.
- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngược, do đó bề
rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần, điện
trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngược lại.
Như vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực máng ID.
4

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


- Trường hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị phụ
thuộc vào UDS.
- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với cách
mắc như hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực ngược
tăng dần từ S tới D  tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần.
● Ứng dung của Mosfet trong thực tế.
Mosfet trong nguồn xung của Monitor

Hình 1.3: Mosfet trong nguồn xung
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh
kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được
đưa đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khi
xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet
liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra
từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra.
1.2.2. Transitor BJT công suất
● Cấu tạo và ký hiệu:
Transistor lưỡng cực có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P,N mà ta có hai cấu trúc khác

nhau pnp, npn.
Cấu tạo:

5

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Hình 1.4 Cấu tạo và ký hiệu của transistor
● Nguyên lý làm việc:
Để transistor làm việc người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là
phân cực cho transistor. Đối với tất cả 2 loại PNP hay NPN cần phân cực cho:

Hình 1.5 Diện áp phân cực cho trasistor
Je phân cực thuận Jc phân cực ngược.
Cụ thể ta xét quà trình phân cực cho loại PNP.
Transistor làm việc ở chế độ khoá (đóng hoặc mở) cho nên U CE Do tiếp giáp JE được
phân cực thuận nên các hạt đa số chuyển động dễ dàng qua tiếp giáp JE tới vùng bán dẫn
bazơ, kết quả là làm điện trở của tiếp giáp JE giảm và làm xuất hiện dòng điện IB.Lớp Jc
bị phân cực ngược nhưng E2>>E 1 nên điện trường E2 tạo ra khá lớn,và do lớp bán dẫn
bajơ mỏng ,nên chỉ một phần điện tích đi tới cực B, còn phần lớn các điện từ bị J 2 hút về
và đi tới nguồn dương tạo ra dòng colectơ quá tải Rt ,IE= IC+IB, IB dòng điện khiển .

6

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Khi U BE giảm IB↓I C .Khi U BE=0 hoặc U BE<0 (phân cực ngược cho JE ) thì JE ngăn cản
sự di chuyển các hạt đa số di chuyển qua nó à IC=0 .Transistor bị khoá .

Các thông số cơ bản của Transistor ở chế độ đóng cắt :
- ICMAX : Dòng điện colectơ cực đại .
- UCES: Điện ápUCE khi transistor khoá (IB=0) .
- USC : Thời gian đóng của transistor, là khoảng thời gian để điện áp UCE0 giảm xuống
UCES(chưyền từkhoá sang mở) – Tf thời gian cần thiết để IC giảm tới không (chuyển từ
mở bão hoà sang khoá ).
- Ts thời gian cần thiết để tăng UCE từ UCES UCE0.
- PT công suất tổn thất trong transistor PT =U BE.I B+U CE.I C .Họ đặc tính tĩnh của
transistor ở chế độ khoá : Đó là mối quan hệ I C =F(UCE).

Hình 1.6 Đặc tính V –A của transistor ngược
Vùng 1: Vùng khuếch đại tính tĩnh .
Vùng 2: Vùng khuếch đại bão hoà .
Vùng 3: Vùng van bị đánh thục.
Vùng 4:Vùng van bị đánh thủng.
7

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


1.2.3. Thyristor
● Cấu tạo
Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:
A : Anode : cực dương
K : Cathode : cực âm
G : Gate : cực khiển (cực cổng)
Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một
BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 1.7: Cấu tạo Thyristor

 Mở và khóa thyristor:
+
E

R 1

+E

R t
R1

IV
S

IG

U
A

-

R 2

C

+

B

T

T1
G 1

T2
G 2

R 2
-

Hình 1.7.a: Mở thyristor
a>Mở thyristor:
-Có 2 phương pháp kích mở thyristor:

Hình 1.7.b: Khóa thyristor
8

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


* Phương pháp thứ nhất là tăng UAK > Uth,max khi đó điện trở tương đương trong mạch A –
K giảm đột ngột, dòng điện qua thyristor lúc đó chỉ phụ thuộc vào điện trở mạch ngoài.
Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế.
*Phương pháp thứ hai là: phân cực cho U AK >0, sau đó thực hiện đưa một dòng điện có
giá trị nhất định vào cực G. Khi đó thyristor xẽ chuyển từ trạng thái trở kháng cao sang
thấp, nên có dòng điện đi qua thyristor.
-Nếu dòng qua thyristor lớn hơn dòng duy trì thì thyristor tiếp tục duy trì dẫn dòng mà
không cần xung điều khiển nữa. Phương pháp này chỉ cần mạch điều khiển có công suất
rất nhỏ so với mạch lực.
b>Khóa thyristor:
-Để khoa thyristor lại cần phải giảm dòng qua A-K về dưới mức dòng duy trì (I dt), và đặt

một điện áp ngược lên thyristor trong thời gian tối thiểu.
● Đặc tuyến

Hình 1.8: Đặc tuyến của Thyristor
IG = 0
IG2 > IG1 > IG
-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 UAK < 0.
a>Trường hợp IG = 0:
*Khi UAK < 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.
*Khi UAK > 0 khi đó tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 bị phân cực ngược,
9

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


lúc này dòng điện qua thyristor cũng rất nhỏ, gọi là dòng điện dò.
b> Trường hợp IG > 0 .
*Khi UAK > 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 UAK nhỏ hơn.
*Khi UAK < 0 thì quá trình sẩy ra cũng tương tự trường hợp IG = 0.
● Các thông số kỹ thuật
-Giá trị dòng trung bình cho phép qua thyristor, IV,trb.
Thyristor không được vượt quá một giá trị cho phép. có thể lựa chọn dòng điện qua
Thyristor theo các điều kiện làm mát sau:
+Làm mát tự nhiên dòng sử dụng cho phép đến 1/3 IV,trb.
+ Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió dòng sử dụng cho phép đến 1/2 IV,trb.
+ Làm mát cưỡng bức bằng nước dòng sử dụng cho phép đến 100% IV,trb.

-Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ung,max.
-Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor. tr (s).
-Tốc độ tăng điện áp cho phép (v/ s)
. Với các thyristor tần số cao có thể đạt đến 500  2000 V/s
-Tốc độ tăng dòng điện cho phép (A/ s).
Tốc độ tăng dòng điện cho phép cũng phân biệt ở thyristor tần số thấp có giá trị
khoảng 50  100A/s. với các thyristor tần số cao có khoảng
500  2000A/s.
● Ứng dụng của Thyristor.
Thyristor chủ yếu được sử dụng ở những ứng dụng yêu cầu điện áp và dòng điện lớn,
và thường được sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating current), vì sự thay
đổi cực tính của dòng điện khiến thiết bị có thể đóng một cách tự động(được biết như là quá
trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu ra tại lân cận điểm 0 của điện áp hình sin).
1.2.4. Máy Biến Áp.
- Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần
số của nó.
 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
 Cấu tạo:
- Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N1 vòng và cuộn thứ cấp có N2 vòng. Lõi biến áp
gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ
thông qua mạch.
- Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N 1 >
N2 hoặc ngược lại.
- Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện.
10

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


- Trong thực thế thì máy biến áp có dạng như hình 1.10, còn trong việc biểu diễn sơ đồ

máy biến áp thì có dạng như hình 1.9

Hình 1.9

Hình 1.10
 Nguyên tắc hoạt động
- Đặt điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Nó gây ra sự biến thiên từ thông
trong hai cuộn. Gọi từ thông này là: φ = φ0cosωt
- Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là : φ1 = N1φ0cosωt và φ2 = N2φ0cosωt
- Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e2 có biểu
thức
Từ đó ta thấy nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
 Khảo sát máy biến áp
Gọi N1. N2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Trong khoảng thời gian Δt vô cùng nhỏ từ thông biến thiên gây ra trong mỗi vòng dây của cả
hai cuộn suất điện động bằng:
Suất điện động trên một cuộn sơ cấp là:
Suất điện động trên cuộn thứ cấp:
=> Tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng
11

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Tỉ số
, (1)

không đổi theo thời gian nên ta có thể thay bằng giá trị hiệu dụng ta được

Điện trở thuần của cuộn sơ cấp rất nhỏ nên

, khi mạch thứ cấp hở nên

, (2)

Từ (1) và (2) ta được
, (*)
• Nếu N2 > N1 => U2 > U1 : gọi là máy tăng áp.
• Nếu N2 < N1 => U2 < U1 : gọi là máy hạ áp.
Vì hao phí ở máy biến áp rất nhỏ, coi như công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như
nhau.
, (**)
Từ (*) và (**) ta có
Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy
nhiêu lần và ngược lại.
1.3. Giới thiệu về nghịch lưu
1. 3.1. Khái niệm và phân loại sơ đồ nghịch lưu
Khái niệm: Nghịch lưu là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay
chiều một pha hoặc ba pha....
Nghịch lưu là thiết bị biến đổi nguồn điện 1 chiều thành nguồn điện xoay chiều với
tần số tùy ý.
Nguồn 1 chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu,ăcquy,...
Phân loại:
+ Theo sơ đồ: nghịch lưu 1 pha, nghịch lưu 3 pha.
+ Theo quá trình điện từ xảy ra trong mạch: nghịch lưu áp,nghịch lưu
dòng,nghịch lưu cộng hưởng.
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn điện áp 1 chiều thành nguồn điện áp xoay
chiều với tần số tùy ý.

* Sơ đồ khối:
12

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Nguồn
12v

Khối tạo
xung

Khối
khuyếch
đại

Biến áp

Out 220v

Hình 1.11. Sơ đồ khối mạch nghịch lưu
 Chức năng các khối.
+ Khối tạo xung: Sử dụng một IC chính, IC4047 để tạo ra hai dãy xung vuông góc
ngược pha nhau, để đưa vào hai transistor CMOS
+ Khối khuyếch đại: Gồm có các transistor CMOS công suất D718, đây là một
transistor CMOS công xuất. IDMAX của nó là 8A. Vậy, nếu đầu vào là 12V thì công suất lớn
nhất của mạch là 96W.
+ Biến áp là một biến áp thường, 12v/220v. Sau khi qua bộ nghịch lưu, đầu ra ta thu
được điện áp 220v ở đầu ra của biến áp.

* Phân loại: Nghịch lưu chia làm 2 loại chính: Nghịch lưu phụ thuộc và nghịch
lưu độc lập .
+ Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu có điện áp, tần số, góc pha và thứ tự pha
phụ thuộc vào lưới điện mà đầu ra của nó mắc song song vào.
+ Nghịch lưu độc lập gồm: nghịch lưu độc lập nguồn áp và nguồn dòng.
Nghịch lưu độc lập nguồn áp : luôn định ra một điện áp có biên độ, tần số, góc pha và thứ
tự pha không phụ thuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển.
Điện áp thường có dạng hình chữnhật còn dòng điện phụ thuộc vào tải có thể là
hình chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng : luôn định ra một dòng điện có biên độ, tần số, góc pha
và thứ tự pha không phụthuộc vào loại tải và chỉ phụ thuộc vào tín hiều điều khiển.
Dòng điện thường có dạng hình chữnhật còn điện áp phụ thuộc vào tải có thể là hình
chữ nhật, hình răng cưa, hình sin, dạng hàm mũ.
1.3.2. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập một pha
● Nghịch lưu dòng điện một pha

13

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Hình 1.12: Sơ đồ một pha có điểm trung tính và biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha.
-

Sơ đồ gồm: + Một máy biến áp có điểm giữa phía sơ cấp,

+ Hai Tiristor anôt nối vào cực dương của nguồn nuôi E thông qua
hai nửa cuộn dây sơ cấp của máy biến áp.
+ Tụ điện C gọi là tụ điện chuyển mạch.
là tổng số vòng dây sơ cấp.

là số vòng dây thứ cấp.
i,v là dòng và áp phía thứcấp.
-

Hoạt động của sơ đồ: Giả thiết cho xung mở T1 điểm A được T1 nối với cực âm
của nguồn E. bấy giờ V 0 –VA= u1= E, do hiệu ứng biến áp tự ngẫu nênVB =Vo =
u1= E.Như vậy tụ điện C được nạp điện áp bằng 2E, bản cực dương ở bên phải.
Bây giờ nếu cho xung mở T2, Tiristor này mở và đặt điện thế điểm B vào mạch
catôt T 1 khiến T 1 bị khoá lại, tụ điện C sẽ bị nạp ngược lại, sẵn sàng để khoá T2
14

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


khi ta cho xung mở T1 Phía thứ cấp ta nhận được dòng “Sinus chữnhật” mà tần số
của nó phụ thuộc vào nhịp phát xung mở T1,T2.

Hình 1.13: Sơ đồ cầu một pha
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Tiristor T1, T2 lệch pha với tín hiệu
điều khiển đưa vào đôi T3 ,T4 một góc 180o .Điện cảm đầu vào nghịch lưu lớn (Ld= ∞),
do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu đồ xung), nguồn cấp cho nghịch lưu là
nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng xung vuông. Khi đưa xung vào mở
cặp van T1,T2 , dòng điện i = id= Id. Đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt
đầu nạp điện với cực (+) ở bên trái và cực (-) ở bên phải.
Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i = ic = it=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) người ta
đưa xung vào mởcặp van T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C
từcực (+) vềcực (-) .
Dòng phóng ngược chiều với dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1 và T2 bị khoá
lại.Quá trình chuyển mạch gần như tức thời. Sau đó tụC sẽ được nạp điện theo chiều

ngược lại với cực (+) ở bên phải và cực (-) ởbên trái. Dòng nghịch lưu i =id=-Id (đã đổi
dấu). Đến thời điểm t = t2 người ta đưa xung vào mởT1,T2 thì T3,T4 sẽ bị khoá 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. Tại thời điểm t1 khi mởT3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi
điện áp ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược ( t1 -t’1 ) là cần
thiết để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tính điều khiển của van và t’1- t01= tk ≥ toff là
thời gian khoá của Tiristor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển. kt .ω β = là
góc khoá của nghịch lưu.

● Nghịch lưu điện áp 1 pha
15

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Hình 1.14: Sơ đồ nghịch lưu cầu áp 1 pha
Trong đó : -: Là các thyristor có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh thay đổi
điện áp xoay chiều ra tải.
-: là tải.
-: Là các diôt dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi.
-: Là dòng nguồn xoay chiều dạng răng cưa.
Khi > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor dẫn dòng)
Khi < 0 thì tải năng lượng về nguồn nuôi (các diôt dẫn dòng).
C: Tụ lọc.
MBA: máy biến áp 1 pha có điện áp sơ cấp đặt lên các van và điện áp thứ cấp đặt lên tải.
* Nguyên lý làm việc :
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 khóa lại, dòng tải i=-Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó
chảy tiếp theo chiều cũ nhưng theo mạch D1→E→D3→tải→D1 và suy giảm dần, D1 và
D3 dẫn dòng khiến T1 và T3 vừa kịp mở đã bị khóa lại.

Khi t=t1, i=0, D1 và D3 bị khóa lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác
động ở các cực G1, G3 dòng tải i>0 và tăng chảy theo chiều từ A→B.Giai đoạn từ t=0
cho đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng.
Khi t=T/2 cho xung mở T2 và T4, T1 và T3 bị khóa lại, dòng chảy qua D2 và D4
khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã bị khóa lại. Khi t=t3, i=0, T2 và T4 sẽ mở lại, i<0 chảy
theo chiều B→A. Dòng tải i biến thiên theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và –Im.
Các xung điều khiển Thyristor thường là xung chùm.
16

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Hình 1.15. Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha.
*Biểu thức của dòng tải i:
+ Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3 ta có phương trình :
L + Ri = E
+ai =
Dưới dạng toán tử Laplace ta có s.I(s) - i(0) + a.I(s) =
Trong đó : i(0) = -Im và a = do đó: i = -at)-Im.e-at
+ Khi đó xung mở T2 và T4 ta có phương trình : -L –Ri = E
Và i=1-e-a(t-T/2)]+Im.e-a(t-T/2)

1.3.3. Phạm vi ứng dụng của mạch nghịch lưu
 Ưu điểm:
o Điều chỉnh được tần số fN
o Điện áp ra của nghịch lưu có thể dùng các phương pháp khác nhau để giảm
sóng hài bậc cao
17

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH

o Các van được sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ dàng điều
khiển đóng cắt các van
o Công suất bộ biến đổi phụ thuộc vào công suất của van,mà công suất của van
động lực ngày càng lớn với kích thước ngày càng nhỏ gọn
 Nhược điểm:
o Số lượng van sử dụng khá nhiều
o Điện áp ra có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện

Hình 1.16. Đồ thị sóng hài điện áp ra

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ,TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƯU

18

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


2.1.Thiết kế mạch nghịch lưu
2.1.1. Phân tích yêu cầu thiết kế mạch nghịch lưu
Ta đưa ra thông số và yêu cầu bộ nghịch lưu cần thiết kế như sau
Nguồn cấp là Acquy 12VDC.
Điện áp đầu ra 220VAC/50Hz.
Với nguồn cấp là Acquy nên ta sử dụng mạch nghịch lưu độc lập.Như vậy ta có
ba sự chọn lựa : Nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn dòng và cộng hưởng.
Mạch nghịch lưu độc lập dòng điện được cấp từ nguồn dòng, ở đây ta sử dụng
nguồn cấp là acquy nên không phù hợp.
Mạch nghịch lưu độc lập cộng hưởng có dạng điện áp ra gần sin nhất, tuy nhiên

với tần số lớn từ 300Hz trở lên do vậy không phù hợp để sử dụng cho mạch mà ta cần
thiết kế.
Như vậy ta sử dụng mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn:
Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha.
Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau đó lấy một pha để sử dụng. Nghịch
lưu độc lập nguồn áp ba pha có dạng hình sin hơn so với nghịch lưu độc lập nguồn áp
một pha, tuy nhiên với mục đích sử dụng như ban đầu ta đưa ra thì hoàn toàn không cần
thiết phải dùng như vậy, bởi bộ nghịch lưu áp ba pha cho chi phí cao hơn và tính toán
điều khiển cũng phức tạp hơn rất nhiều, trong khi đó ta chỉ cần sử dụng một pha cho
nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.
Do vậy ta sẽ chọn mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha với các thông số
và yêu cầu đã đề ra.
Bộ biến đổi DC/AC sẽ gồm hai thành phần chính như sau
Mạch điều khiển : Có nhiệm vụ phát xung vuông dao động với tần số 50 Hz cấp
xung mở cho transitor, transitor dẫn.
Mạch lực bộ nghịch lưu một pha :có nhiệm vụ đẩy kéo điện áp 12V DC lên
220VAC tần số 50Hz.

19

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


2.1.2. Phương pháp lựa chọn
Có 2 phương pháp để biến đổi điện áp 1 chiều 12V lên điện áp xoay chiều 220V
Phương pháp thứ nhất: Điện áp 1 chiều 12V được đưa thẳng vào biến áp để đưa lên
điện áp 220V xoay chiều.Điện áp 1 chiều này cho qua máy biến áp bằng cách đóng mở
liên tục nhờ các van công suất với tần số của lưới điện 50Hz.Ưu điểm của phương pháp
này là không có sự tổn hao công suất nhiều do có sự biến đổi trực tiếp và cấu tạo mạch
khá đơn giản.Tuy nhiên phương pháp này cũng có những nhược điểm của nó.Điện áp đầu

ra có dạng xung không sin ảnh hưởng lớn đến tải cảm.
 Phương án này sử dụng IC SG3525 và MOSFET IRF3205

Phương pháp thứ hai: Điện áp 1 chiều 12V được nghịch lưu thành điện áp 12V xoay
chiều sau đó điện áp 12V xoay chiều này được đưa qua máy biến áp để đưa lên điện áp
220V.Đây là phương pháp biến đổi gián tiếp.Nhược điểm của phương pháp này là có sự
hao tổn công suất trong quá trình nghịch lưu.Tuy nhiên với phương pháp này thì điện áp
qua 1 số khâu nữa có thể cho dạng sin hơn ở đầu ra.
 Phương án này dùng Transistor công suất, các cổng logic và trigơ

Hình 2.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu dung 4047
20

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Phương án này tuy chuyển được nguồn một chiều 12V lên 220V xoay chiều nhưng
có nhược điểm độ ổn định không cao .
2.1.3. Thiết kế mạch nghịch lưu sử dụng IC CD4047và MOSFET D718

 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC CD4047 và D718
 Nguyên Lý Hoạt Động.
Để biến áp hoạt động được, ta cần phải cung cấp cho điến áp một đòng điện biến
thiên, dòng điện biến thiên sinh ra từ trường biến thiên, từ trường này lại sinh ra dòng
điện. để có hiện tượng cảm ứng điện từ trên biến áp, cần phải có điện từ biến. Biến áp
thường chỉ hoạt động ở tần số thấp (âm tần).
Đầu tiên, ta dùng IC CD4047 để tạo ra hai dãy xung vuông góc với nhau và lệch
pha nhau 1800, Hai xung này được đưa tới 2 Transistor CMOS để khuếch đại điện áp.

Dòng điện cực đại qua transistor CMOS mà Transistor(sử dụng D718) có thể chịu được là
22A. Transistor hoạt động ở chế độ bảo hòa. Tran dẫn hoàn toàn, hoặc tắt hoàn toàn.
Sau đó xung được đưa thẳng tới biến áp để thực hiện biến đổi điện áp. Điện áp đưa
vào là 12v, điện áp đầu ra là 220v. Máy biến áp hoạt động ở chế độ tăng áp. Máy biến áp
sử dụng là loại biến áp 220v/24v có điểm giữa.

21

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


Vì khi xung kích vào biến áp là dãy xung vuông nên có hiện tượng tự cảm sinh ra
sức điện động phản kháng, có thể là hỏng IC CD4047 nên trong mạch cần phải có thành
phần hạn chế và triệt tiêu thành phần này.
2.2. Tính toán và chế tạo mạch nghịch lưu
2.2.1. Thông số máy biến áp
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
i2
k2
n11
-

u
i1
= +

n2

u2

zt

n12
k1

Hình 2.3. Máy biến áp điểm giữa
Máy biến áp có các thông số: U11 = 12V, U2 = 220V, f = 50HZ, P = 30VA
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 = 24( V )
Công suất của máy biến áp ta giả định chọn: P = .U2.I2 = 30(W)
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
là hiệu suất máy biến áp

Chọn = 0,85 ta tính được dòng điện thứ cấp của máy biến áp

I2 =

= 0.16 ( A )

Áp dụng tỉ số máy biến áp
I1 =
22

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V )
I1 = = 1.5( A )
Công suất máy biến áp cần chọn:
P1 = U1 . I1 = 24 . 1.5 = 36 (VA)
Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 36(W) với I = 3A.
2.2.2.Tính toán mạch lực
● Chọn van Transistor NPN loại D718
Lựa chọn phần tử làm khóa chuyển mạch
Ta lựa chọn Transistor NPN loại D718 vì có những ưu điểm sau:
+ Tốc độ chuyển mạch cao và tổn hao chuyển mạch thấp
+ Làm việc với điện áp cao
+ Mạch biến đổi sử dụng điều khiển đơn giản
- Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến áp:
I = 1.5 A
Chọn Transistor NPN có dòng làm việc là:
Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = Kdc.12 = (1.6-2)*12 = 24 (V). Vậy chọn van có điện
áp làm việc > 24V là được.

-

Transistor D718 cực NPN.
Chân 1 là chân Base.
Chân 2 là chân Colector.
Chân 3 là chân Emitter.
Công suất p= 80W.
Dòng chịu đựng tối đa 10A.
Điện áp tối đa 120V.
Tần số 12Mhz.

● Hình dạng và kí hiệu

23

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH


● Thông số
Bảng 2.2

24

TRẦN NINH LINH 55K1-TĐH