BIẾN TẦN MỘT PHA ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Đề tài: Biến tần một pha

12/2018

LỜI NÓI ĐẦU

1

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Ngày nay, nền công nghiệp trong quá trình phát triển mạnh mẽ, các yêu về hiệu xuất,
an toàn và tính ổn định được đặt lên hàng đầu đặc biệt là việc điều khiển động cơ trong
các hệ thống truyền động, dây chuyền sản xuất trong nhà máy. với sự phát triển nhanh
của các linh kiện bán dẫn chuyển mạch thì MÁY BIẾN TẦN ngày càng được sử dụng
rộng rãi để điều khiển động cơ trong tất cả các máy móc công nghiệp mà không cần
dùng đến các hộp số cơ khí thông thường. Với các ưu điểm như điều khiển hiệu quả,
thuận tiện, tiết kiệm được năng lượng nhờ hiệu suất chuyển đổi nguồn rất cao, phạm vi
điều chỉnh động cơ rộng với chất lượng điều chỉnh tốt, ổn định, dễ bảo trì … hoặc có
thể sử dụng trong hệ thống UPS (bộ lưu điện) – thiết bị được dùng để cung cấp tạm
thời điện năng nhằm duy trì hoạt đông liên tục của hệ thống khi lưỡi điện gặp sự cố.

Đồ án Điện tử ứng dụng là một môn học giúp sinh viên hiểu rõ về lí thuyết các môn
học như: kỹ thuật xung số, điện tử ứng dụng... cũng như tiếp cận với cách tính toán,
thiết kế một sơ đồ mạch điện hoàn chỉnh và hình thành cho sinh viên một phong cách
làm việc khoa học khi giải quyết các bài toán cụ thể của thực tế sản xuất. Qua đó sinh
viên có khả năng phân tích điều kiện thức tế để tính toán linh kiện điện tử, sai số giữa
lý thuyết và thực tế, tạo ra sản phẩm ứng dụng trong thực tế đảm bảo chỉ tiêu kĩ thuật
và kinh tế.

Trong nội dung đồ án môn học với đề tài “Biến tần một pha”. Quá trình tính toán thiết
kế, nội dung đồ án em đã cố gắng trình bày rõ ràng và đầy đủ theo yêu cầu. Đồ án đã
sử dụng các bảng tra đồng thời tính toán các bài toán cụ thể trong tính toán thiết kế
giúp cho đồ án có tính thực tế các như trong sản xuất. Tuy nhiên việc tính toán thiết kế
chắc chắn không tránh khỏi sai sót và hạn chế mong thầy thông cảm.
Cuối cùng em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy đã giúp đỡ em
hoàn thành đồ án này.

ĐÀ NẴNG, ngày 20 tháng 12 năm 2018

2

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................ 3
1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN TẦN...........................................5
1.1 Giới thiệu chương.........................................................................................5
1.2 Khái niệm chung về máy biến tần.................................................................5
1.2.1

Khái niệm về máy biến tần..................................................................5

1.2.2

Phân loại.............................................................................................5

1.3 Phương án thực thi và sơ đồ khối..................................................................8
1.4 Kết luận chương............................................................................................8
2

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................9
2.1 Giới thiệu chương.........................................................................................9
2.2 Điện trở R.....................................................................................................9
2.2.1

Giới thiệu............................................................................................9

2.2.2

Công thức thiết kế...............................................................................9

2.3 Tụ điện C....................................................................................................10
2.3.1

Giới thiệu..........................................................................................10

2.3.2

Ứng dụng..........................................................................................11

2.4 Cuộn cảm L.................................................................................................12
2.4.1

Giới thiệu..........................................................................................12

2.4.2

Ứng dụng..........................................................................................13

2.5 Diode...........................................................................................................13
2.5.1

Giới thiệu..........................................................................................13

2.5.2

Ứng dụng..........................................................................................14

2.6 MOSFET.....................................................................................................15
2.6.1

Giới thiệu..........................................................................................15

2.6.2

Ứng dụng..........................................................................................16

2.7 Transistor....................................................................................................18
2.7.1

Giới thiệu..........................................................................................18

2.7.2

Ứng dụng..........................................................................................19
3

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

2.8 Op_Amp......................................................................................................20

3

2.8.1

Giới thiệu..........................................................................................20

2.8.2

Ứng dụng .........................................................................................21

2.9

IC CD404.................................................................................................21

2.10

Máy biến áp.............................................................................................23

2.11

Kết luận chương:.....................................................................................23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ MẠCH
24
3.1 Giới thiệu chương.......................................................................................24
3.2 Yêu cầu thiết kế..........................................................................................24
3.3 Sơ đồ toàn mạch..........................................................................................25
3.4 Thiết kế các khối mạch...............................................................................27
3.4.1

Khối astable......................................................................................27

3.4.2

Khối biến áp và lọc sau nghịch lưu:..................................................27

3.4.3

Khối động lực...................................................................................29

3.5 Mô phỏng mạch:.........................................................................................33

3.5.1

Mô phỏng trên Proteus......................................................................33

3.5.2

Mô phỏng mạch thực tế dùng máy đo xung......................................34

3.5.3

Đánh giá mạch..................................................................................35

3.6 Kết luận chương..........................................................................................35
4

KẾT LUẬN.....................................................................................................36

5

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................37

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN TẦN

4

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

1.1

Giới thiệu chương:

-

Nêu lên khái niệm chung về máy biến tần (MBT).

-

Phân loại các loại MBT.

-

Tìm hiểu và nêu lên ưu, nhược điểm của từng loại.

Đưa ra phương án thực thi phù hợp với yêu cầu đề tài đặt ra và vẽ sơ đồ khối
cho mạch của mình.

1.2

Khái niệm chung về máy biến tần:

1.2.1

Khái niệm về máy biến tần:

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử nhằm biến đổi tần số f1 của một
điện áp hay dòng điện xoay chiều sang một điện áp hay dòng điện có tần số f2 khác có
thể diều chỉnh được. Thường được dùng để thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây

bên trong động cơ và qua đó biến tần có thể điều khiển động cơ của các máy móc, dây
chuyền một cách vô cấp.
1.2.2

Phân loại:

Hiện nay trên thị trường có nhiều máy biến tần của các công ly lớn như Siemens,
Schneider, panasonic, Mitsubishi, … nhưng về mặt cấu tạo chúng có thể được phân
thành 2 loại chính là: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

1.2.2.1

Biến tần trực tiếp:

Biến tần trực tiếp biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều với tần số thành điện áp
với tần số ở đầu ra mà không qua một bước biến đổi năng lượng điện một chiều và
không cần đến khâu trung gian nào.

Hình 1.1: Sơ đồ khối biến tần trực tiếp
T2

T1

Bộ chỉnh lưu T1 cung cấp cho phụ tải dòng
điện dương và = còn bộ chỉnh lưu T2 cung
cấp cho phụ tải dòng điện âm và

Z taûi

=.

5

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc của biến tần trực tiếp.
-

Ưu điểm của BTTT: Bộ biến tần trực tiếp cho phép trao đổi năng lượng với

lưới điện một cách trực tiếp, ngoài ra tổn hao công suất cũng ít hơn do phụ tải nối với
nguồn chỉ qua một phần tử đóng mở và không có bộ phận trung gian.
-

Nhược điểm của BTTT: đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van đóng mở rất

phức tạp, khó khăn trong việc tạo mạch điều khiển chỉ sử dụng cho truyền động điện
có công suất lớn tốc độ làm việc thấp phạm vi biến đổi tần số nhỏ và khó khăn phụ
thuộc vào tần số vào và luôn cho tần số nhỏ hơn .

1.2.2.2
-

Biến tần gián tiếp:

Bộ biến tần gián tiếp hay còn gọi là bộ biến tần có khâu trung gian, trong biến

tần này nguồn xoay chiều có tần số đầu vào qua bộ trung gian bao gồm chỉnh lưu, lọc
và nghịch lưu để biến đổi thành dòng xoay chiều với tần số ở đầu ra.

Hình 1.3: Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp
-

Đối với loại biến tần này thì dải điều khiển tần số điều khiển lớn hơn, có thể

điều khiển vô cấp tần số đồng thời tần số đầu ra không phụ thuộc vào tần số đầu vào
và có thể điều khiển lớn hơn . Tuy nhiên do nguồn phải qua hai lần biến đổi nên làm

6

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

giảm hiệu suất biến tần, nhưng nhờ sự phát triển của các linh kiện chuyển mạch nên ta
phát huy tối đa các ưu điểm của máy biến tần gián tiếp.
-

Bộ biến tần gián tiếp gồm có 2 bộ phận riêng biệt là bộ phận động lực và bộ

phận điều khiển:
U1, f1

Mạch tạo và thay
đổi tần số

-

Bộ biến tần
(Mạch lọc)

U2, f2

Bộ điều khiển

Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bộ lọc trung gian mà người ta còn phân thành biến

tần gián tiếp nguồn áp và biến tần gián tiếp nguồn dòng.
+
Biến tần gián tiếp nguồn dòng:


Là biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, thường sử dụng

là mắc cuộn cảm san bằng L có điện cảm lớn đặt nối tiếp ở đầu ra của khâu chỉnh lưu.


Đặc điểm của loại biến tần này là dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào

dạng của dòng điện của nguồn, còn dạng của áp trên tải phụ thuộc vào các thông số của
tải quy định.
+

Biến tần gián tiếp nguồn áp:



Là biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp, thường sử dụng một

tụ điện lọc C đặt song song ở đầu ra của khâu chỉnh lưu


Đặc điểm của loại biến tần này là dạng điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng điện

áp của nguồn còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy
định. Ưu điểm của bộ biến tần này là tạo ra dạng dòng điện và tần số cao hơn, dải
biến đổi tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.

1.3

Phương án thực thi và sơ đồ khối:

Dựa vào các phân tích trên và yêu cầu của đề tài, ta chọn máy biến tần gián tiếp nhằm
tạo ra tần số đầu ra lớn hơn tần số đầu vào và dùng bộ lọc nguồn áp để đảm bảo điện

7

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

áp đầu ra ổn định vì các ưu điểm và sự phổ biến của nó. Ta sử dụng IC CD4047 để điều
khiển tần số, và các van đóng mở của khâu nghịch lưu ta sử dụng Mosfet nhằm đảm
bảo độ chính xác và ổn định của tần số, điện áp đầu ra.
Ta có sơ đồ khối chi các phần là:

V1, f1

Khối chỉnh
lưu

Khối lọc

Khối nghịch
lưu

v2, f2
Khối lọc

Khối tạo dao
động
Hình 1.4: Sơ đồ khối của bộ biến tần 1 pha

1.4

Kết luận chương:

-

Qua chương 1 này ta đã biết rõ về thế nào là biến tần và đã rút ra được phương án thực
thi cho đề tài này. Giờ điều cần làm là tìm hiểu sâu hơn vào đề tài từ những gì đã rút ra
ở chương này ta sẽ thiết lập từng khối một đã nêu ra ở trên.

-

Sơ đồ khối vẽ trên chỉ mang tính tương đối và có thể thay đổi trong quá trình thực thi.

Và trong sơ đồ đó có 1 số khối chưa cần thiết có thể ta sẽ không đề cập tới trong mạch
sẽ làm

2
2.1

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu chương:

Chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu các linh kiện điện tử cần dùng cho các khối
mạch đã đề ra ở chương 1.
8

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

nó.

Giới thiệu các mỗi linh kiện: sơ đồ cấu tạo, ký hiệu, chức năng hoạt động của

Đưa ra ứng dụng vào khối mạch sẽ làm: sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và các
công thức tính toán.

2.2

Điện trở R:

2.2.1

Giới thiệu:

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện
trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn.
Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ.

2.2.2 Công thức thiết kế:
Định luật Ôm:
Công suất:

P = U.I = I2.R

Cầu phân áp:

Vout=

(2.1)
Hình 2.2: mạch phân áp

Bảng 2.1 : giá trị điện trở

9

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

2.3
T
ụ

điện C:
2.3.1

Giới thiệu:

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động rất phổ biến, được cấu tạo bới hai bản
cực đặt song song, có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi
qua nhờ nguyên lý phóng nạp.
Cấu tạo của tụ điện: gồm 2 bản cực kim
loại cách điện với nhau, môi trường giữa 2
bản tụ này được gọi là điện môi.
Đặc tính cơ bản: Tụ điện có khả năng
tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng
điện trường bằng cách lưu trữ các electron,
nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để
tạo thanh dòng điện.
Đây chính là tính chất phóng nạp của tụ,
nhờ có tính chất này mà tụ có khả năng dẫn
điện xoay chiều.
Phương trình nạp của tụ:
-

2.3.2

(t) = [ (∞) - (0)](1- ) + (0)

(2.2)

(t) = [ (0) - (∞)](1- ) + (∞)
Suy ra

(2.3)
(2.4)

Phương trình xã của tụ:

Ứng dụng:

10

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

2.3.2.1

Bộ lọc sau bộ chỉnh lưu:

Chính những tính chất trên nên tụ điện được ứng dụng làm mạch lọc sau chỉnh lưu
thành điện áp một chiều bằng phẳng. Đó là nguyên lý của tụ lọc nguồn.
Tụ sẽ ngắn mạch thành phần xoay chiều làm độ gợn sóng trên tải ít nhỏ hơn nhưng vẫn
còn nhấp nhô.

Hình 2.3. Mạch lọc tụ C
Tính toán thiết kế



Do tụ C mắc song song với tải nên sóng hài bậc cao được rẽ qua tụ C, còn lại thành
phần 1 chiều với số ít sóng hài bậc thấp đi qua tải.
-

Điện áp gợn sóng sau lọc được tính theo công thức:
ud = Udo+Unmaxcosn2πft
-

Điên áp hiệu dụng sau lọc: Udo=U2

(2.5)

Trong đó: Unmax = Udo: điện áp dao động.
Với R là tải thì
-

I R=

Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu:
Ko==

(2.6)

Từ IR của dòng tải ta tính đươc R qua công thức trên.
Để mạch sau chỉnh lưu càng phẳng tức hệ số nhập nhô Ko càng nhỏ thì ta nên chọn C
càng lớn càng tốt.

11

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

2.3.2.2

Bộ lọc sau nghịch lưu:

Do điện áp sau bộ nghịch lưu thường có dạng các xung vuông. Bộ lọc này có tác dụng
lọc các thành phần hài bậc cao để đưa ra song sine

Hình 2.4a. Mạch lọc LC


Hình 2.4b. Dạng sóng sau lọc

Tính toán thiết kế:

Công thức tính L,C:
suy ra được
Ta chọn sụt áp cho phép trên cuộn cảm là : UL=1%Ura

(2.7)
(2.8)

IL=Iout=
ZL= suy ra L suy ra C

(2.9)

Chọn C xong thế vào công thức (2.6) suy ra L

2.4

Cuộn cảm L:

2.4.1

Giới thiệu:

Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn dây
đối với dòng điện xoay chiều .

12

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Nó có tác dụng hạn chế thành phần song hài bậc cao và hạn chế vùng dọng điện gián
đoạn.
2.4.2

Ứng dụng:

Từ ứng dụng trên của L ta ứng dụng nó trong mạch lọc sau nghịch lưu đã nói ở trên

mục 2.4 ta có được hệ số tự cảm L


Tính toán quấn cuộn cảm:

Cuộn dây lõi Ferit

Cuộn dây lõi không khí

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có
dòng điện biến thiên chạy qua.
L=


L : là hệ số tự cảm của cuôn dây, đơn vị là Henrry (H)



n : là số vòng dây của cuộn dây.



l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)



S : là tiết diện của lõi, tính bằng m2



µr : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi

(2.10)

Chọn lõi cuộn dậy có thông số S, µr có thể chịu được tần số hơn 500Hz và áp 220V
sau đó ta có L đã tính suy ra được tỉ số .
Chọn l tính ra n vòng từ đó quấn cuốn cảm xong đêm đo giá trị rồi hiệu chỉnh.

2.5

Diode:

2.5.1

Giới thiệu:

Hình2.5a. Cấu tạo

Hình2.5b. Kí hiệu

13

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Diode là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến chỉ cho dòng chạy qua theo chiều
thuận nên dòng điện xoay chiều đi qua diode chỉ có dòng nữa chu kỳ dương.
2.5.2

Ứng dụng:

Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng mạch chỉnh lưu cầu:

Hình 2.6a. Mạch chỉnh lưu cầu

Hình 2.6b. Dạng điện áp vào, ra

Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều
không bằng phẳng U3. Sự không bằng phẳng này phụ thuộc cụ thể vào từng dạng mạch
chỉnh lưu.

Tính toán thiết kế
Với nghịch lưu cầu ta chú yếu quan tâm đến 2 thông số điện áp và dòng điện.
Tính dòng điện chạy qua Diode để nó không bị đánh thủng.
Từ dòng Iout đầu ra theo yêu cầu ta đã tính toán được dòng chạy trong mạch động lực từ
đó ta chọn Diode chịu được số dòng đó.
Giá trị dòng điện hiệu dụng : Ihd= khd* Id
Giá trị trung bình của điện áp sau chỉnh lưu:
(2.11)
Với U2: điện áp hiệu dụng sau biến áp.
-

Tính điện áp ngược đặt trên Diode
(2.12)

Với Knv, Ku là các hệ số điện áp ngược và điện áp tải.
Các hệ số được tra theo bảng 1.1 (trang 23 sách TTTK thiết bị điện tử công suất)

2.6

MOSFET:

2.6.1

Giới thiệu :

MOSFET được sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu điện tử.

14

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

MOSFET được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như SMPS (Switched Mode Power
Supplies), điều khiển động cơ, các bộ biến đổi công suất lớn, làm việc ở tần số cao…
MOSFET được nghiên cứu và phát triển dựa trên transistor lưỡng cực (BJT), MOSFET
có 1 số đặc điểm sau :
-

Tần số đóng cắt nhanh.

-

Trở kháng đầu vào cao

-

Điện áp chịu đựng kém (so với BJT)

-

Điều khiển bằng điện áp (khác với BJT - điều khiển bằng dòng điện)
MOSFET được chia làm 2 loại: MOSFET giàu (Enhancement MOSFET) và MOSFET
nghèo (Depletion MOSFET). Mỗi loại lại chia làm 2 loại: loại kênh N và loại kênh P.

Hình27 Kí hiệu MOSFET
a) Trạng thái dẫn:
Điều kiện để MOSFET dẫn là VGS > VGS(th).
MOSFET có điện trở giữa cực G với cực D và giữa cực G với cực S rất lớn, còn điện
trở giữa D và S lại phụ thuộc vào VGS, VGS càng lớn thì RDS càng nhỏ.
RDS(ON) là 1 trong những thông số để đánh giá khả năng làm việc và công suất tiêu tán
của MOSFET. Công suất tiêu tán của MOSFET được tính theo công thức:
Ptt = Itb2.RDS(ON)
Đối với MOSFET loại P, để MOSFET dẫn thì VG = 0, đảm bảo sao cho |VGS| > VGS(th).
Khi đó, dòng điện sẽ chạy từ cực S đến cực D.
Đối với MOSFET loại N, để MOSFET dẫn thì VG > 0 đảm bảo sao cho |VGS| > VGS(th).
Khi đó, dòng điện sẽ chạy từ cực D đến cực S.

15

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

b) Trạng thái khóa:

Khi VGS < VGS(th) thì MOSFET không dẫn. Tuy nhiên do tồn tại điện dung kí sinh giữa
các cực (xem hình 4) nên nếu MOSFET đang dẫn mà |VGS| < VGS(th) thì MOSFET
không khóa ngay mà dẫn thêm 1 lúc nữa (thậm chí là không khóa được) do tác dụng
của tụ kí sinh. Điều này làm ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ đóng cắt của MOSFET.
Để tránh hiện tượng này, người ta thường mắc thêm 1 điện trở RGS giữa 2 cực G và S,
điện trở này sẽ làm cho quá trình phóng của tụ CGS nhanh hơn rất nhiều và MOSFET
nhanh chóng chuyển sang trạng thái khóa. Muốn chuyển trạng thái từ dẫn sang khóa
càng nhanh thì RGS phải càng nhỏ. Tuy nhiên khi kích MOSFET sẽ có dòng điện chạy
từ mạch kích qua điện trở này làm tăng tổn hao.
2.6.2

Ứng dụng

Từ các tính năng trên của MOSFET ta ứng dụng nó làm van đóng mở (động lực) của
bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn năng lượng từ nguồn một chiều không
đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện.
Nghịch lưu là bộ chuyển đổi điện thế DC thành AC tuần hoàn với tần số mong muốn
khác tần số đầu vào nhưng có dạng không sin. Muốn có dạng hình sin ta có thể dùng
các kĩ thuật khác nhau để thực hiện biến đổi thành dạng sin.
Nguyên lý cơ bản:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý và bảng trạng thái mạch nghịch lưu
Khi chỉ cho mạch hoạt động ở 1 và 3 ta có dạng sóng ra có dạng sóng vuông với chu
kỳ T và tần số 1/T.

16

Biến tần một pha

Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Hình 2.9a Dạng sóng mạch nghịch lưu khi 1 và 3 hoạt động
Khi cho hoạt động cả 1,2,3,4 theo trình tự như hình dưới ta có dạng sóng ra có dạng
nấc với chu kỳ T và tần số 1/T.

Hình 2.9b Dạng sóng mạch nghịch lưu khi 1,2,3,4 hoạt động


Tính toán thiết kế:

Để chọn mosfet ta quan tâm đến các thông số công suất tiêu tán, Vdss và Id
Pc >= Ptt = Id 2.Rds(on)
Vdss>= ±1.5Vcc
ID>= ±1.5Id

(2.13)
(2.14)
(2.15)

Dấu + dùng cho MOSFET loại N
Dấu - dùng cho MOSFET loại P
Các thông số Pc ,Vdss Id ta tra trong datasheet của linh kiện.
Mối quan hệ giữa Vgs và Id:
(2.16)
-

-

Trong đó Kn là hệ số hỗ dẫn.
Ta có thể tra mối quan hệ trên theo sơ đồ trong datasheet để xác định V gs
Đống thời ta phải kiểm tra thời gian nạp xã của tụ kí sinh để tránh hiện tượng trùng dẫn
của mạch cầu theo phương trình nạp xã của tụ thông thường.

2.7

Transistor:

2.7.1

Giới thiệu:

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại N ghép lại với nhau. Do đó có 2 loại
transistor là NPN và PNP tương ứng với 2 cách sắp xếp 3 lớp bán dẫn trên.

17

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Kí hiệu trong mạch điện

Một đặc điểm thú vị là dòng electron tràn qua cực C sẽ tỉ lệ với dòng electron đến cực
B. mối quan hệ như sau:
IC=IB
(2.17)

Thông số gọi là hệ số khuyếch đại của BJT, nó chính là đặc tính để phân biệt từng loại
BJT, gái trị của thường rất lớn, từ vài chục đến vài trăm. Chính vì đặc điểm này mà
transistor được dùng như là một linh kiện “khuyếch đại”.
Khi điện trở CE đạt giá trị min, phần mạch điện bên phải gần như cố định (V C, RC,
RCE) nên dòng IC cũng đạt giá trị max và gần như không thay đổi cho dù có tăng IB.
Quan hệ giữa IB và IC không còn đúng như công thức (2). Hiện tượng này gọi là bão
hòa, đây là hiện tượng rất quan trọng của transistor, nó là cơ sở cho sự phát triển của
các mạch điện tử số (điều này giải thích tại sao người ta hay đề cập đến số lượng
transistor trong các chip số, như vi xử lí cho máy tính chẳng hạn). Một cách tổng quát,
điều kiện để BJT rơi vào trạng thái bão hòa là ICmax < IB. Khi BJT bão hòa nó sẽ hoạt
động như một “khóa điện tử”,
2.7.2

Ứng dụng:

-

Khóa điện tử trong mạch kích cầu H: Sử dụng ở
trạng thái dẫn bão hòa tạo tín hiệu xung

-

BJT tắt. Tiếp xúc jC phân cực nghịch - có
dòngchạy từ C sang B nên gây hiện tượng kích
dẫn. Vậy điều kiện BJT tắt :
(2.18)

-

: dòng Ico tương ứng với nhiệt độ cực đại

18

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

-

: tại suy ra jE phân cực thuận. Do BJT có tính nhất quán xuất hiện thời gian t1 là thời
gian để cho hạt mang điện đi từ E đến C nên khi đó BJT chưa dẫn ngay.
t1 :

-

(2.19)

: thời gian BJT dẫn ở chế độ khuyếch đại, còn gọi là thời gian sườn trước của chế độ
xung (xung dòng). Là thời gian cần thiết để
(2.20)

-

Nếu chọn đủ lớn giảm =

-

Ic mà tại đó để suy ra dòng điện bão hòa tương ứng gọi là . Khi đó BJT nằm ở ngưỡng
bão hòa khuyếch đại.

Điều kiện BJT dẫn bão hòa thõa mãn:

-

Ta có :
(2.21)
Ta chọn dòng IB=(13)IBN để đảm bảo BJT kích bão hòa

-

Ta chọn BJT theo :

Pc = (1.5÷2).Ptt = VECmax*I0
VECO = (1.5÷2).Vcc
Icmax = (1.5 ÷ 2)*I0

2.8

Op_Amp:

2.8.1

Giới thiệu :

(2.22)
(2.23)
(2.24)

19

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

:

ngõ vào đảo.

: ngõ vào không đảo.
: Ngõ ra.

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo của opamp
i+, i- :dòng vào OP-AMP ở ngõ vào không đảo và đảo
Vid ∶điện áp vào giữa hai ngõ vào không đảo và đảo của OPAMP
Ri∶ điện trở vào
A∶độ lợi của OPAMP.Với OPAMP lý tưởng, độ lợi bằng vô cùng.
R0 ∶điện trở ra của OPAMP, lý tưởng bằng 0.
V0 ∶điện áp ra; V_0=A_OL v_id trong đó, A_OL độ lợi điện áp vòng hở.
Đặc trưng của OPAMP lý tưởng:
Tổng trở vào:
Tổng trở ra:
Hệ số khuếch đại vòng hở:
Cân bằng lý tưởng:

2.8.2

Ứng dụng :

Ứng dụng OPAMP trong mạch so sánh.

(2.25)
20

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

(2.26)

2.9

IC CD4047:

Hình 2.11: Sơ đồ cấu tạo của CD4047
IC 4047 là một vi mạch đa hài họ CMOS, dùng để phát ra một xung đơn (mạch đa hài
đơn ổn), hoặc một dãy xung vuông (mạch đa hài phiếm định). Nó gồm 14 chân đánh số
thứ tự theo chiều tăng dần ngược chiều kim đòng hồ từ 1 đến 14.
+ Các chân 1, 2, 3 được nối với các điên trở và điện dung định thời.
+ Chân 4 và 5 dùng để điều khiển mạch làm việc ở chế độ đa hài phiếm định.
+ Chân 8 và 6 lần lượt để kích sườn lên và sườn xuống của xung điều khiển khi làm
việc ở chế đọ đa hài đơn ổn.
+ Chân 9 là chân xóa (tích cực cao) hay Reset.
+ Chân 10 là đầu ra đảo.
+ Chân 11 là đầu ra không đảo.Chúng phát ra 2 xung đơn ngược nhau khi làm việc ở
chế độ đơn ổn.
+ Chân 12 dùng để kích trở lại.
+ Chân 13 để phát ra dãy xung vuông góc khi làm việc ở chế độ IC làm việc ở chế độ
đa hài phiếm định.
+ Chân 14 là chân cấp nguồn +3V đến +18V.

21

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

Ở đây chúng ta dung IC4047 coi như là một mạch

(+3 V =>*18V

)

4

nối chân IC4047 để nó hoạt động như 1 mạch đa

AST

6
-T

tục chuyển qua lại giữa 2 mức cao và thấp).Cách

AST

U2

5

đa hài phiếm định (là mạch mà điện áp đầu ra liên
VDD

Q

9
R5
R

11
13

RCC

RST

RET

8

4047

GND

3

Q
OSC

10

12

7

C4
CAP NP

CX
RX

T

1
2

+

hài phiếm định được mô tả như hình dưới.

14

Hình 2.12: Sơ đồ nối chân IC4047
Đầu ra 10 ,11 cho ta hai dãy xung vuông góc
ngược pha nhau với tần số:
Ta có tần số đầu ra được xác định theo công thức :
F=

(2.27)

Trong đó R= 1KΩ ÷ 1MΩ và C ≥ 100pF là các điện trở, điện dung định thời.

2.10 Máy biến áp :
Máy biến áo hay máy biến thế là thiết bị điện hiện truyền đưa năng lượng hoặc tín hiện
xoay chiều giữa các mạch điện thông qua cảm ứng điện từ.
Một máy biến áp gồm có một hoặc nhiều cuộn sơ cấp và một hoặc nhiều cuộn
thứ cấp liên kết qua trường điện từ. Khi đưa dòng điện với điện áp xác định vào cuộn
sơ cấp, ta sẽ tạo trường điện từ. Theo định luật Faraday thì trường điện từ tạo ra dòng
điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp. Để đảm bảo sự truyền đưa năng lượng thì bố trí
mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây. Vật liệu dẫn từ phụ thuộc tần số làm việc.

Ở tần số thấp như máy biến áp điện lực, âm tần làm việc thấp thì vật liệu từ có
độ từ thẩm cao như thép silic, permalloy… và mạch từ khéo kín như lõi ghép bằng lá
chữ E, U hoặc I.

Ở tần số cao, vùng siêu âm và sóng raido thì dùng lõi ferit khép kín mạch từ.

2.11 Kết luận chương:
Mỗi linh kiện điện điện tử có các tính chất đặc trưng phù hợp với các ứng dụng đề ra
của nhà sản xuất. Một linh kiện có nhiều ứng dụng và mỗi khối yêu cầu có nhiều
phương án sử dụng linh kiện khác nhau. Với mỗi mạch cần làm ta cần chọn phương án
cũng như linh kiện điện tử tối ưu nhất phù hợp yêu cầu đề bài đặt ra. Kết hợp với

22

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

datasheet ta lựa chọn linh kiện cùng với các công thức tính toán điện áp, dòng điện,
công suất,… dựa vào trong các tài liệu sách giáo khoa chuẩn.

3

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, THI CÔNG VÀ
ĐÁNH GIÁ MẠCH

3.1

Giới thiệu chương:

Sau khi chọn các linh kiện điện tử phù hợp để thiết kế các khối mạch phù hợp trong sơ
đồ khối đã đề ra. Ở chương này ta sẽ thiết kế hoàn chỉnh các khối mạch và áp dụng các
công thức ở chương 2 để tính toán chọn giá trị linh kiện trở, tụ điện, cuộn cảm,… phù
hợp với yêu cầu đầu vao và đầu ra của đề tài.
Trong chương này ta sẽ dùng phần mềm mô phỏng Proteus nên ta sẽ giời thiệu một
chút về phần mềm này:
-

Proteus là phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng các mạch điện tử. So với các phần
mềm khác thì nó có thế mạnh hơn hẳn về các mặt.
 Thư viện linh kiện phong phú.
 Hỗ trợ nhiều thiêt bị đo kiểm tra.
 Cho phép thiết kệ chạy mô phỏng sơ đồ nguyên lý gồm các mạch tương tự,
mạch số mạch tổng hợp cả số và tương tự…
 Cho phép chạy mô phỏng các loại vi điều khiển, EPPROM, PIC.
 Hỗ trợ thiết kế mạch in (PCB).

23

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

-

Bởi những thế mạnh về nhiều mặt như vậy nên Proteus được sử dụng nhiều nhằm hỗ
trợ tốt cho nhiều môn học về điện tử.

3.2

Yêu cầu thiết kế :

Yêu cầu đề tài:
-

Đầu vào xoay chiều : điện áp hiệu dụng 220V, tần số fin = 50 Hz

-

Đầu ra hình sin : điện áp hiệu dụng 220V, tần số fout = (100-500) Hz và

-

dòng điện Imax=1A.
Bài toán thiết kế là bài toán thiết kế ngược nên ta sẽ đi ngược từ đầu ra đến đầu vào
theo đúng yêu cầu.

Yếu cầu thiết kế :

-

Đạt độ chính xác tốt nhất : đầu ra dạng sine với 5 nất tần số từ (100-500) Hz

-

Đảm bảo tính kinh tế

-

Mạch đơn giản nhỏ gọn nhất có thể

3.3

Sơ đồ toàn mạch:

3.3.1

Sơ đồ nguyên lý:

24

Biến tần một pha


Đồ án ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

a. CD4047

Hình 3.1: khối tạo tần số

b. LM 358 và khối động lực

25

Biến tần một pha