Thiết kế bộ nghịch lưu áp một pha, biến đổi từ 12VDC220VDC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

TIỂU LUẬN
HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN 1
MÃ HỌC PHẦN: 13321
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA
- NGUỒN CẤP 12VDC
- CÔNG SUẤT 60W
- ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ

Giảng viên:
Lớp:

Đồ án 1 – NO5

Nhóm sinh viên:

HẢI PHÒNG, 12/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

TIỂU LUẬN
HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN 1
MÃ HỌC PHẦN: 13321
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 1 PHA
- NGUỒN CẤP 12VDC

- CÔNG SUẤT 60W
- ĐIỆN ÁP RA 220V-50HZ

Giảng viên:
Lớp:

Đồ án 1 – NO5

Nhóm sinh viên:

HẢI PHÒNG, 12/2019

LỜI MỞ ĐẦU
2


Trong thời đại công nghệ đang phát triển mạnh mẽ,điện tử công suất đóng
một vai trò hết sức quan trọng và hữu ích. Đặc biệt là việc biến đổi những năng
lượng từ dạng này sang dạng khác thông qua các mạch công suất được ứng dụng
hết sức rộng rãi.Nhờ có sự phát triển của các van bán dẫn công suất mà lĩnh vực
này ngày càng phát triển. Ta có thể phân loại thành các dạng biến đổi như sau: ACDC (Chỉnh lưu), DC-AC(Nghịch lưu), AC-AC(Điều áp xoay chiều),DC-DC(Điều
áp một chiều)…Mỗi nhóm trên đều có nhiệm vụ và chức năng riêng của mình
trong từng lĩnh vực cụ thể.
Với yêu cầu của đồ án :”Thiết kế bộ nghịch lưu” điện áp một pha từ nguồn
12VDC-220VAC với tần số 50hz.Mạch này được ứng dụng cực kì rộng rãi trong
lĩnh vực đời sống và sinh hoạt. Mạch có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho
tải khi gặp sự có mất điện, hay được dùng khi di chuyển mà có nguồn năng lượng
trực tiếp.
Phần báo cáo của nhóm em được chia làm 3 chương chính:
-

CHƯƠNG I: Giới thiệu về điện tử công suất và các van bán dẫn

-

CHƯƠNG II: Giới thiệu chung về nghịch lưu độc lập

-

CHƯƠNG III: Tính toán và thiết kế mạch thực tế.

Trong thời gian học tập và làm việc em xin cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của
thầy Trần Tiến Lương đã hỗ trợ, giải đáp các thắc mắc khi em gặp phải. Thầy đã
giúp em có thêm được những kiến thức vô cùng quý báu, hỗ trợ em trong công
việc tương lai. Song vốn kiến thức còn hạn chế, tầm nhìn hạn hẹp nên trong quá
trình làm việc không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự
góp ý và nhận xét của thầy để em có thể hoàn thiện tốt nhất đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn

3


MỤC LỤC:
CHƯƠNG I..............................................................................................................5
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU...........................5
1.1.Khái niệm về điện tử công suất.....................................................................5
1.1.1. Định nghĩa.................................................................................................5
1.1.2. Phân loại và ứng dụng:.............................................................................6
1.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản........................................................6
1.2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất.................................6

CHƯƠNG II.............................................................................................................8
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP.........................................8
2.1.Các khái niệm cơ bản.....................................................................................8
2.1.1. Khái niệm..................................................................................................8
2.1.2. Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc............8
2.1.3. Phân loại nghịch lưu độc lập.....................................................................8
2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp............................................................................9
2.2.1. Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha.............................................................9
+ Chức năng:.......................................................................................................9
+ Cấu tạo:..........................................................................................................10
+ Nguyên lý làm việc:.......................................................................................10
CHƯƠNG III.........................................................................................................12
TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ MẠCH.....................................................................12
3.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực..........................................................12
3.1.1. Tính toán máy biến áp.............................................................................12
3.1.2. Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch................................................12
3.1.3. Nguyên lý mạch động lực.......................................................................14
3.2.Thiết kế mạch điều khiển............................................................................14
3.2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển........................................14
3.2.2. Thiết kế mạch điều khiển........................................................................15
3.2.3. Mô phỏng mạch điện..............................................................................18
3.2.4. Kết quả mạch..........................................................................................18
3.2.5 Kết luận....................................................................................................19
Tư liệu tham khảo.............................................................................................20

4


CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ NGHỊCH LƯU

1.1.Khái niệm về điện tử công suất
1.1.1. Định nghĩa

Điện tử công suất là chuyên ngành nghiên cứu các phương pháp và các
thiết bị điện tử có công suất lớn với các thuật toán điều khiển nhằm biến đổi và
điều khiển năng lượng điện.

Hình 1.1 Sơ đồ chung về bộ biến đổi công suất

Hình 1.2. Đối tượng nghiên cứu của điện tử công suất

5


1.1.2. Phân loại và ứng dụng:

Điện xoay chiều thành điện một chiều: Các bộ Chỉnh lưu (Rectifier) điều
khiển (dùng Thyristor) hoặc không điều khiển (dùng Diode) tuỳ theo việc ta có
cần điều khiển giá trị của dòng điện một chiều ở đầu ra hay không.
Điện một chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Nghịch lưu (Inverter). Các
bộ nghịch lưu có khả năng biến một dòng điện một chiều thành một dòng điện
xoay chiều có giá trị điện áp và tần số thay đổi được tuỳ vào luật đóng mở các
van bán dẫn.
Điện một chiều thành điện một chiều: Các bộ Băm xung một chiều (còn
có tên là Điều áp một chiều, biến đổi điện áp một chiều ( DC to DC converter,
DC chopper). Các bộ biến đổi này biến dòng điện một chiều có giá trị cố định
thành dòng điện một chiều có giá trị điện áp, dòng điện điều khiển được.
Điện xoay chiều thành điện xoay chiều: Các bộ Biến tần (Frequency
Drive) trực tiếp (Cycloconverter) hoặc gián tiếp (Inverter). Các bộ biến tần có
khả năng biến nguồn điện xoay chiều có giá trị dòng điện, điện áp và tần số cố

định của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có giá trị dòng, áp và tần số điều
khiển được theo ý muốn.
1.2.Các phần tử bán dẫn công suất cơ bản
1.2.1. Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất

+ Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như
các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn. Khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn,
khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Để đóng cắt
các dòng điện lớn thì các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công
suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ.
+ Đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất :
- Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khóa, khi mở cho dòng chạy qua thì
có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khóa không cho dòng chạy qua thì có điện
trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc
bằng điện tích của dòng điện chạy qua với điện áp rơi trên phần tử sẽ có giá trị
rất nhỏ.
6


- Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp
phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử
chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò.
- Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành:
- Van không điều khiển như Diode
- Van có điều khiển : Điều khiển không hoàn toàn, như Thysitor, Triac Điều.
khiển hoàn toàn, như MOSFET, IGBT,GTO.

7

CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP
2.1.Các khái niệm cơ bản
2.1.1. Khái niệm

-

Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiêu thành dòng điện

xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập.
- Nguồn một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn một
chiều độc lập khác. Nghịch lưu động lập được sử dọng rộng rãi trong các lĩnh vực
như cung cấp điện (từ các nguồn độc lập như Acquy), các hệ truyền động xoay
chiều, giao thông, truyển tải điện năng, luyện kim…
2.1.2. Sực khác nhau giữa nghịch lưu độc lập và nghịch lưu phụ thuộc.

a) Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượng một chiều (DC) thành năng
lượng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòng điện xoay chiều chính là
tần số không thể thay đổi của lưới điện. Hơn nữa sự hoạt
động của nghịch lưu này phải phụ thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh
duy nhất là góc điều khiển α được xác định theo tần số và pha của lưới điện
xoay chiều đó.
b) Nghịch lưu độc lập hoạt động với tấn số ra do mạch điều khiển quyết định và
có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
2.1.3. Phân loại nghịch lưu độc lập

a. Nghịch lưu điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện
áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới:
- Nghịch lưu điện áp 1 pha
- Nghịch lưu điện áp 3 pha

b. Nghịch lưu dòng điện, cho phép biến đổi nguồn dòng một chiều thành nguồn
dòng điện xoay chiều :
- Nghịch lưu dòng 1 pha
- Nghịch lưu áp 3 pha
2.2.Nghịch lưu độc lập điện áp
2.2.1. Nghịch lưu độc lập điện áp 1 pha
+ Chức năng: là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay

chiều với tần số tùy ý.
+ Đặc điểm:
8


Bộ nghịch lưu áp một pha được cung cấp bằng nguồn áp một chiều có trở
kháng rất nhỏ, do đó điện áp U không chịu ảnh hưởng của biến thiên dòng điện qua
nó. Điện áp vào một chiều được chuyển mạch để tạo nên điện áp ra xoay chiều U’(
với tần số tùy ý)
Để nghiên cứu các bộ nghịch lưu áp một cách tổng quát ta giả thiết tải dòng
xoay chiều là lý tưởng, nghĩa là dòng điện tải I’ là hình sin.
Có ba loại bộ nghịch lưu một pha:
- Bộ nghịch lưu có máy biến áp điểm giữa.
- Bộ nghịch lưu phân áp vào điện dung.
- Bộ nghịch lưu cầu.
Hai bộ nghịch lưu đầu chỉ cần hai khóa chuyển mạch nhưng phải có một điểm
giữa ở phía ra xoay chiều hoặc ở phía vào một chiều, trong khi đó bộ nghịch lưu
cầu cần bốn khóa chuyển mạch.
Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Điện áp ra của
nghịch lưu áp có thể điều chế theo các cách khác nhau để giảm sóng điều hòa bậc
cao.
Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động

lựu điều khiển hoàn toàn nhỏ. Hiệu suất của bộ biến đổi giảm do sử dụng nghịch
lưu áp bằng tiristo và sơ đồ điều khiển phức tạp.
Hiện nay công suất các van động lựu như: IGBT,GTO trở nên lớn, kích thước
nhỏ gọn, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa
trong các bộ biến tần công nghiệp.
Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khóa điện tử lý
tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không.

+ Cấu tạo:

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.1. sơ đồ gồm bốn van
động lực chủ yếu là : T1, T2, T3, T4 và cácdiode D1, D2, D3, D4 dùng để trả công
suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu
nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn
hai chiều ( nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi
theo một chiều). Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của
9


tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp ( giá trị C càng lớn
nội trở của nguồn càng nhỏ, và điện áp đầu vào được san phẳng).

Hình 2. 1 sơ đồ nghịch lưu áp một pha
+ Nguyên lý làm việc:

Ở nửa chu kì đầu tiên ( -2) cặp van T1,T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào
nguồn. Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U1=E. Tại thời điểm 0= 2, T1
và T2 bị khóa, đồng thời T3, và T4 mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều
ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut=-E tại thời điểm 2. Do tải

mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ, T1,T2 đã bị khóa, nên dòng
phải khép mạch qua D3,D4. Suất điện đọng cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả
năng lượng thông qua D3,D4 về tụ C.
Tương tự như vậy khi khóa cặp T3,T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2.
Đồ thị điện áp tải Ut, dòng tải i(t), dòng qua diot i(D) và dòng qua tiristor được
biểu diễn trên hình dưới đây.

10


Hình 2.2 đồ thị nghịch lưu áp một pha

11


CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ MẠCH
3.1.Tính toán và thiết kế mạch động lực
3.1.1. Tính toán máy biến áp

Yêu cầu biến áp:
- Điện áp đầu vào 12V
- Điện áp đầu ra 220V, f=50Hz
- Công suất 60W

Hình 3.1. Biến áp nghịch lưu

- Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U11 = 2.12 =24 (V)
- Công suất của máy biến áp: P= .U2.I2 = 60 (W)
Trong đó:

- P là công suất 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

3.1.2. Lựa chọn phần tử làm van chuyển mạch

Ta lựa chọn MOSFET 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 MOSFET điều khiển đơn giản
- Dòng làm việc qua van bằng dòng làm việc qua cuộn dây sơ cấp máy biến
áp I = 14,6 A

- Vậy chọn MOSFET có dòng làm việc là :
12


- Điệp ngược đặt lên van : Ungmax = Kdc.12 = 24 V
- Kdc thường được chọn lớn hơn 1,6
- Vậy chọn van có điện áp làm việc > 24V
Từ các điều khiện trên ta chọn van : D718 với các thông số sau:

Hình 3.1.2 Datasheet D718

13


3.1.3. Nguyên lý mạch động lực

4 cặp MOSFET công suất D718 hoạt động như một khóa điện tử đóng ngắt
liên tục với tần số 50Hz của bộ phát xung .Từ sự đóng ngắt này dòng điện làm
dòng chính từ ắc quy chảy qua cuộn sơ cấp. Do có dòng qua cuộn sơ cấp nên
bên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện 1 sức điện động sinh ra dòng chảy theo 1 chiều
nào đó mà ta tạm gọi là nửa chu kì dương của cuộn thứ cấp L1, điện áp ở đầu ra
được khuyếch đại theo tỷ số vòng dây của biến áp. Lúc này đầu ra là chu kỳ dương
.Ngược lại ở chu kỳ âm cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện ,điện áp đầu ra là

chu kỳ âm của tín hiệu. Cứ như thế việc đóng mở MOSFET với tần số 50Hz
nhờ mạch điều khiển sẽ sinh ra điện áp biến thiên với tần số 50Hz ở cuộn sơ
cấp.Tuy nhiên điện áp này sẽ có dạng xung vuông không sin vì việc đóng mở
nguồn 1 chiều 12V chỉ tạo ra được các xung vuông.
3.2.Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển

+ Nhiệm vụ chức năng mạch điều khiển:
Như đã biết ở MOSFET là các van điều khiển hoàn toàn tức là điều khiển
mở, khóa bằng xung nên mạch điều khiển có các chức năng sau :
Điều chỉnh được độ rộng xung trong nửa chu kì dương của điện áp đặt lên
colector và emitor của van
Tạo ra được xung âm có biên độ cần thiết để khóa van trong nửa chi kì còn
lại.
Xung điều khiển phải có đủ biên độ và năng lượng để mở khóa van chắc
chắn.
Tạo ra được tần số yêu câu.
Dễ dàng lắp ráp, thay thế, vận hành tin cậy, ổn định.
Cách ly với mạch động lực.
+ Yêu cầu về độ tin cậy cảu mạch điều khiển :
Phải làm việc tin cậy trong mọi môi trường như trường hợp nhiệt độ thay
đổi, có từ trường…

14


3.2.2. Thiết kế mạch điều khiển
a, SN74HCOON:
Để tạo ra khối phát xung ta sử dụng mạch SN74HCOON, có các thông số
sau:

15

Hình 3.2.2.1 Datasheet SN74HCOON


Sơ đồ chân:
Chân 1 : C-Timing được nối với đầu dương của tụ
Chân 2 : R-Timing được nối với 1 đầu của trở 1k
Chân 3 : Đầu chung của RC
Chân 4 : Trạng thái bền
Chân 5 : Trạng thái không bền
Chân 6 : Chân kích khởi âm
Chân 7 : GND
Chân 8 : Chân kích khởi dương
Chân 9 : Thiết lập lại trạng thái ban đầu
Chân 10 : Đầu ra Q không đảo
Chân 11 : Đầu ra Q đảo
Chân 12 : Kích khởi lại
Chân 13 : Đầu ra OSC
Chân 14 : VCC
b, IC LM358:

Là mạch khuếch đại thuật toán sử dụng 2 bộ khếch đại riêng biệt:

16

Hình 3.2.2.1 Datasheet LM358


- IC 8 chân điện áp hoạt động :+-1,5Và+-16V
Chân 1 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán A.
Chân 2 đầu vào đảo bộ khuyếch đại A.
Chân 3 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại A.
Chân 4 cấp nguồn âm.
Chân 5 đầu vào không đảo bộ khuyếch đại B .
Chân 6 đầu vào bộ khuếch đại.
Chân 7 đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán B .
Chân 8 cấp nguồn dương.
- Nguyên lý :
IC SN74HCOON đóng vai trò chính trong mạch này.IC này được nuôi
bằng nguồn 12V cung cấp vào chân 14.Qua IC này tạo ra được 2 xung dương
có giá trị ngược nhau tại 2 chân đầu ra Q và Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo
dao động, để tần số hoạt động là 50Hz ta chọn thong số R,C
- Linh kiện sử dụng trong mạch:
STT
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13
14

Tên linh kiện
IC SN74HCOON
IC LM358
IC 78L05
MOSFET D718
DIODE 1N4007
TIP41C
DIODE ZENNER
TỤ 470UF
TỤ 47UF
TỤ MICA 2A473J
TỤ GỐM 104
TRỞ 10K
TRỞ 1,2K
TRỞ 210K

Số lượng
1
1
1
4
2

2
2
1
1
2
1
2
2
2


3.2.3. Mô phỏng mạch điện

3.2.4. Kết quả mạch
Mạch khi chưa được cấp nguồn:
Mạch nghịch
lưu

Nguồn vào
12VDC-2A

Biến áp 12V5A

Tải bóng đèn
220VAC-10W

Hình 3.2.4 Mạch nghịch lưu khi chưa cấp nguồn 12VDC

Hình 3.2.3 Sơ đồ mô phỏng mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu khi được cấp nguồn:

3.2.5 Kết luận

Điện áp ra đo được qua biến áp
Điện áp ra đo được khi mắc với tải
Công suất tiêu thụ của bóng đèn
Dòng qua tải
+, Bảng kết quả thu được:

230VAC
40VAC
20W
0,5A

- Mạch hoạt động tốt.
- Có tiếng kêu bé của biến áp.
- Khi thử với tải bóng đèn, bóng sáng tốt.
- 4 Mosfet hoạt động tốt, không bị nóng.
+ Ưu điểm:
- Hoạt động tốt với các tải công suất nhỏ.
Hình 3.2.4.1 Mạch nghịch lưu khi được cấp nguồn 12VAC
+ Nhược điểm:
- Mạch khá phức tạp.
- Điện áp ra khi cấp vào tải bị sụt áp khá lớn.
- Biến áp khá lớn nhưng cho công suất mạch còn nhỏ.


Tư liệu tham khảo

1. Điện tử công suất: NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
- VÕ MINH CHÍNH (CHỦ BIÊN)
- PHẠM QUỐC HẢI
- TRẦN TRỌNG MINH
2. Website:
-
-
-