TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Phân tích yêu cầu của đề tài
Chúng tôi cần thiết kế một bộ nghịch lưu để chuyển đổi nguồn điện ắc quy 12V thành điện áp xoay chiều 220V, với tần số 50Hz và công suất đầu ra đạt 300W.
Mạch điện sử dụng nguồn ắc quy 12V để cấp trực tiếp cho mạch và biến áp, với biến áp hoạt động như một bộ kích áp, nâng giá trị điện áp lên nhiều lần so với ban đầu Khả năng chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều của mạch mang lại tính thiết thực cao trong ứng dụng thực tế.
Mạch công suất chủ yếu sử dụng linh kiện công suất như Transistor, MOSFET và IGBT Trong quá trình hoạt động, mạch tạo ra xung vuông và được khuếch đại thông qua các van bán dẫn như Transistor và IGBT.
Mục tiêu của đề tài
Nắm được một cách tổng quan về các phần tử bán dẫn công suất
Nghiên cứu về mạch nghịch lưu giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các phương pháp biến đổi của chúng Từ đó, có thể lựa chọn phương án tối ưu nhất để áp dụng trong đồ án cũng như trong thực tiễn.
Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu điện áp một pha với công suất cho trước.
Ý nghĩa của đề tài
Để giúp sinh viên củng cố và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức thực tiễn, đề tài thiết kế và chế tạo thiết bị, mô hình cho sinh viên, đặc biệt là sinh viên khoa Điện – Điện tử Điều này không chỉ tạo cơ hội cho sinh viên tham khảo và học hỏi mà còn cung cấp nguồn tài liệu quý giá cho các thế hệ học sinh, sinh viên sau này trong quá trình nghiên cứu và học tập.
Kết quả đạt được từ đề tài này sẽ giúp em hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu và phương pháp biến đổi điện áp, từ đó tích lũy kiến thức quý giá cho các năm học tiếp theo và ứng dụng trong thực tế.
Nội dung cần hoàn thành
Lập kế hoạch thực hiện
Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha
Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một và ba pha
Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:
+ Điện áp đầu vào một chiều U = 12V lấy từ ắc quy
+ Điện áp đầu ra dùng cho các thiết bị điện xoay chiều U = 220V - f 50HZ, P = 100VA
+ Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về các van bán dẫn công suất
Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung, đó là :
Các van bán dẫn hoạt động theo chế độ khoá, cho phép dòng điện chạy qua với điện trở rất nhỏ khi mở, và chặn dòng điện với điện trở lớn khi khoá.
Các van bán dẫn chỉ cho phép dòng điện chảy theo một chiều Khi được đặt dưới điện áp phân cực ngược, dòng điện qua phần tử này rất nhỏ, chỉ khoảng vài miliampe, được gọi là dòng rò.
Khái niệm: Điốt là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại
Cấu tạo: Điốt do hai lớp vật liệu bán dẫn P – N ghép lại thành và được nối với 2 chân ra là anode và cathode
Hình 2.1: Cấu tạo của điốt p
Khối bán dẫn loại P, với nhiều lỗ trống mang điện tích dương, khi ghép với khối bán dẫn loại N chứa các điện tử tự do, sẽ khiến các lỗ trống di chuyển sang khối N Đồng thời, khối P nhận thêm điện tử từ khối N, dẫn đến việc khối P tích điện âm do thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử, trong khi khối N trở nên tích điện dương do thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống Tại biên giới tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần, có xu hướng kết hợp thành các nguyên tử trung hòa, quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ.
Điện áp tiếp xúc (UTX) hình thành từ sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N, tạo ra một điện trường hướng từ khối N đến khối P Điện trường này cản trở sự chuyển động khuếch tán, dẫn đến việc quá trình khuếch tán dừng lại sau một thời gian ghép hai khối bán dẫn Khi đó, tiếp xúc P-N đạt trạng thái cân bằng với điện áp tiếp xúc khoảng 0.7V đối với điốt bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt bán dẫn Ge.
Hai bên mặt tiếp giáp là khu vực mà điện tử và lỗ trống dễ dàng tái hợp, dẫn đến sự hình thành các nguyên tử trung hòa Kết quả là, vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do, được gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài, đây chính là cốt lõi hoạt động của điốt.
Khi áp dụng điện áp bên ngoài ngược chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống không còn bị cản trở, dẫn đến việc vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Ngược lại, khi điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán bị hạn chế, làm cho vùng nghèo trở nên thiếu hạt điện tự do Điốt chỉ cho phép dòng điện chảy theo một chiều từ anode sang cathode, yêu cầu điện thế ở anode phải cao hơn ở cathode (U AK > 0) và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (U tiếp xúc) Để dòng điện qua điốt, điện trường do UAK tạo ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc (UAK > UTX), trong đó một phần điện áp UAK được sử dụng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại sẽ tạo ra dòng điện thuận qua điốt.
Khi U AK > 0, điốt hoạt động ở chế độ phân cực thuận, và dòng điện qua điốt được gọi là dòng điện thuận, ký hiệu là IF (I-FORWARD) hoặc ID (I-Điốt) Dòng điện này có chiều chảy từ anode sang cathode.
Khi UAK đạt cân bằng với điện áp tiếp xúc, điốt sẽ dẫn điện hiệu quả với điện trở rất thấp, khoảng vài chục Ohm Do đó, điện áp cần thiết để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với điện áp cần để cân bằng với U tiếp xúc, thường khoảng 0.6V Điện áp tạo dòng thuận dao động từ 0.1V đến 0.5V, tùy thuộc vào dòng điện thuận từ vài chục mA đến vài Ampere Giá trị UAK đủ để dòng qua điốt đạt khoảng 0.6V đến 1.1V, với ngưỡng 0.6V là điểm bắt đầu dẫn và khi UAK đạt 0.7V, dòng qua điốt khoảng vài chục mA.
Điốt chỉ dẫn điện theo chiều từ anode sang cathode khi còn tốt, và không dẫn điện ngược Tuy nhiên, nếu bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn, vẫn có dòng điện ngược nhỏ (khoảng μA) xuất hiện, nhưng thường không ảnh hưởng đến các ứng dụng công nghiệp Các điốt chỉnh lưu không cho phép dòng điện ngược, nhưng nếu điện áp ngược vượt quá ngưỡng chịu đựng (VBR), điốt sẽ bị đánh thủng, dẫn đến dòng điện tăng nhanh và có thể làm hỏng điốt Do đó, khi sử dụng điốt, cần đảm bảo rằng dòng điện thuận không vượt quá giá trị tối đa cho phép.
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của điốt
Khi sử dụng diode trong mạch điện, thông số quan trọng đầu tiên cần chú ý là dòng điện định mức (IF), vì mỗi diode chỉ cho phép một dòng điện tối đa đi qua Nếu dòng điện vượt quá giá trị IF, diode sẽ bị hỏng Ngoài ra, khi diode phân cực ngược, nó không cho dòng điện đi qua nhưng phải chịu một điện áp ngược giữa cathode và anode Ví dụ, nếu bạn kết nối một diode 1N4001 với nguồn điện một chiều 60V, đấu Anode với (-) và Cathode với (+), diode sẽ bị phá hủy ngay lập tức mặc dù không dẫn điện, do điện áp ngược chịu đựng của nó chỉ là 50V.
Tần số đáp ứng của diode rất quan trọng, vì mỗi điốt chỉ hoạt động hiệu quả ở một tần số tín hiệu nhất định; nếu điốt bị mắc vào mạch điện cao tần trong khi chỉ chịu được tần số thấp, nó sẽ bị hỏng Đặc tính Volt-Ampe của điốt thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện qua điốt và điện áp UAK đặt vào nó, và có thể chia thành hai giai đoạn khác nhau.
+ Giai đoạn ứng với U AK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận
+ Giai đoạn ứng với U AK = 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch
U AK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si với điốt Ge thông số này khác
Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện, dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài nối tiếp với điốt Điện trở thuận của điốt có ảnh hưởng rất nhỏ đến dòng điện, vì nó thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.
Hình 2.3: Đặc tính volt – Ampe của điốt 2.1.2 Thyristor
Thyristor là một thiết bị điện tử được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 Để hoạt động, thyristor cần nhận một xung dương Thiết bị này có ba cực: cực anode (A), cực cathode (K) và cực điều khiển (G).
Hình 2.4: Cấu tạo của thyristor
Thyristor có đặc tính Volt-Ampere bao gồm hai phần: phần đầu tiên nằm trong góc phần tư thứ I của đồ thị, tương ứng với điện áp Uak > 0, trong khi phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, được gọi là đặc tính ngược, tương ứng với Uak < 0.
Không có dòng điện vào cực điều khiển (iG = 0)
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hoặc khi hở mạch, thyristor sẽ ngăn cản dòng điện trong cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và cathode Khi điện áp Uak < 0, hai tiếp giáp J1 và J3 đều phân cực ngược, trong khi lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, khiến thyristor hoạt động giống như hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Lúc này, chỉ có dòng điện rất nhỏ, gọi là dòng rò, chạy qua thyristor Khi Uak tăng đến giá trị điện áp lớn nhất, thyristor sẽ bị đánh thủng và dòng điện có thể tăng lên rất lớn Quá trình đánh thủng này là không thể đảo ngược, dẫn đến việc thyristor bị hỏng.
Máy biến áp và Ăc quy
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều mà không thay đổi tần số Hệ thống điện đầu vào của máy biến áp bao gồm điện áp U1, dòng điện I1 và tần số f, trong khi hệ thống điện đầu ra sau khi biến đổi sẽ có điện áp khác.
Máy biến áp có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp nối với nguồn điện và cuộn thứ cấp nối với tải Các thông số của cuộn sơ cấp bao gồm số vòng dây w1, điện áp U1, dòng điện I1 và công suất P1, trong khi cuộn thứ cấp có các thông số tương ứng là số vòng dây w2, điện áp U2, dòng điện I2 và công suất P2.
Máy biến áp được phân loại thành hai loại chính: máy biến áp tăng áp, khi điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp, và máy biến áp giảm áp, khi điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.
Máy biến áp có hai bộ phận chính : lõi thép và dây quấn
+ Lõi thép máy biến áp
Lõi thép của máy biến áp là thành phần quan trọng giúp dẫn từ thông chính, thường được làm từ vật liệu dẫn từ chất lượng cao như thép kỹ thuật điện Cấu trúc của lõi thép bao gồm hai bộ phận chính.
- Trụ là nơi để đặt dây quấn
- Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ
Để giảm thiểu dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta sử dụng lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35mm đến 0,5mm, với hai mạch được sơn cách điện, sau đó ghép lại để tạo thành lõi thép.
+ Dây quấn máy biến áp
- Dây quấn máy biến áp thường được chế tạo bằng dây đồng ( hoặc nhôm ), có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện
Dây quấn của máy biến áp bao gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ lõi thép, với cách điện giữa các vòng dây và giữa các dây quấn với lõi thép Thông thường, máy biến áp có hai hoặc nhiều dây quấn, trong đó dây quấn thấp áp được đặt sát trụ thép và dây quấn cao áp nằm ở lồng ngoài Cách bố trí này giúp giảm thiểu vật liệu cách điện cần thiết.
Hình 2.17: Lõi thép và dây quấn máy biến áp
Để nâng cao hiệu suất làm mát và cách điện cho máy biến áp, lõi thép và dây quấn thường được đặt trong thùng chứa dầu Đối với các biến áp công suất lớn, thùng dầu còn được thiết kế với cánh tản nhiệt để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt.
Nguyên lý hoạt động của máy biến áp:
Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của máy biến áp
Khi ta nối dây quấn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều điện áp U 1 sẽ có dòng điện sơ cấp I 1
Dòng điện I 1 sinh ra từ thông fi biến thiên chạy trong lõi thép Từ thông này
Móc vòng đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp và thứ cấp được gọi là từ thông chính Theo định luật cảm ứng điện từ:
W1 và W2 là số vòng dây quấn của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp trong máy biến áp Khi máy biến áp hoạt động với tải, sức điện động E2 tạo ra dòng điện thứ cấp I2, cung cấp điện cho tải.
Từ thông fi biến thiên hình sin fi fi max W t
E , k được gọi là hệ số biến áp
Bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí ta có:
Bỏ qua mọi tổn hao trong Máy biến áp, ta có:
Ăcquy là bình hóa học dùng để lưu trữ năng lượng điện, cung cấp nguồn điện cho các thiết bị như động cơ điện và bóng đèn Điện trở trong của ăcquy rất nhỏ, bao gồm điện trở của các bản cực và dung dịch điện phân, với giá trị thường từ 0.001Ω đến 0.0015Ω khi đã nạp đầy, và từ 0.02Ω đến 0.025Ω khi phóng điện hoàn toàn.
Có hai loại ăcquy chính là ăcquy axit (hay ăcquy chì) và ăcquy kẽm (còn gọi là ăcquy sắt kền hoặc ăcquy cadimi - kền) Trong đó, ăcquy axit được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn.
Bình ắc quy chì axit bao gồm các bản cực bằng chì và ô xít chì được ngâm trong dung dịch axit sulfuric Các bản cực có cấu trúc phẳng, dạng khung lưới, làm từ hợp kim chì antimon và được nhồi với các hạt hóa chất tích cực Khi nạp, hóa chất này tạo thành điô xít chì ở cực dương và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực trong bình ắc quy được kết nối bằng thanh chì, với bản cực dương nối với bản cực dương và bản cực âm nối với bản cực âm Kích thước và số lượng các bản cực quyết định dung lượng của bình ắc quy Thông thường, số lượng bản cực âm nhiều hơn bản cực dương, và các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn do diện tích tiếp xúc ít hơn.
Dung dịch axít sunfuaric là chất lỏng chính trong bình ắc quy, với nồng độ được biểu thị qua tỉ trọng đo được Tỉ trọng này thay đổi tùy thuộc vào loại bình ắc quy và tình trạng phóng nạp của nó.
Hình 2.19: Hình ảnh Ắc quy axit Ắcquy sắt kền:
Bình ắc quy ankalin, hay còn gọi là bình ắc quy kiềm, bao gồm các bản cực dương làm bằng oxy hydrat - kền và bản cực âm bằng sắt thuần, tất cả đều ngâm trong dung dịch hydroxit kali Các bản cực thường có thiết kế phẳng và dẹp, được chế tạo từ hợp kim thép có mạ kền Để dễ dàng lắp ráp, các bản cực được trang bị quai ở trên, cho phép sử dụng bu lông để siết chặt, với bản cực dương nối với nhau và bản cực âm cũng tương tự.
Chiều dài, chiều ngang, chiều dày và số lượng bản cực là các yếu tố quyết định dung lượng của bình ắc quy Điện thế danh định của bình là 1,2 vôn, nhưng điện thế thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như trạng thái hở mạch, đang phóng hay đang nạp Thông thường, điện thế hở mạch dao động từ 1,25 đến 1,35 vôn, tùy thuộc vào mức độ nạp Chất lỏng trong bình là dung dịch hydrôxít kali, có thể được pha thêm chất xúc tác, thường là điôxít liti, tùy thuộc vào nhà sản xuất.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM
Tính toán 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 zt u2 i2 n 2 i1 n 12 n 11
Máy biến áp có các thông số: U 11 = 12V, U 2 = 220V, f = 50HZ, P = 100VA
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
Trong đó: P là công suất của máy biến áp
U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp
I 2 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
0,85.220 = 0,53( A ) Áp dụng tỉ số máy biến áp
Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1 = 24( V )
24 = 4,9( A ) Công suất máy biến áp cần chọn:
P1 = U1 I1 = 24 4,9= 118 (W) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P = 118W với I = 5A
MOSFET IRF 540
Hình 3.1: Hình dạng và ký hiệu của MOSFET IRF 540
MOSFET IRF 540 có ba cực :
D - cực máng ( drain ) : các điện tích đa số từ thanh bán dẫn chảy ra máng
S - cực nguồn ( source ) : các điện tích đa số từ cực nguồn chảy vào thanh bán dẫn
G - cực cổng ( gate ) : cực điều khiển
Tương đương về thuật ngữ giữa Transistor MOS và Transistor lưỡng cực
Transistor MOS Transistor lưỡng cực
VDD : nguồn điện máng VCC
VGG : nguồn điện cổng VBB
ID : dòng điện máng IC
Hình 3.2: Đặc tính Volt – Ampe của Mosfet IRF 540
Khi áp dụng điện áp nhỏ hơn 3V lên Mosfet, điện trở giữa cực máng và cực gốc rất lớn, khiến dòng điện gần như không chảy Khi điện áp tăng lên khoảng 6-7V, Mosfet bắt đầu hoạt động trong chế độ dẫn Để tối ưu hóa hiệu suất, người ta thường điều khiển Mosfet với điện áp khoảng 15V, giúp giảm điện áp rơi giữa hai cực D và S, trong đó U DS tỷ lệ thuận với dòng I D.
Mosfet có khả năng hoạt động nhanh chóng, cho phép đóng mở với tần số lên đến 100kHz Khi Mosfet dẫn dòng, điện trở của nó rất thấp, chỉ khoảng 0,1Ω đối với Mosfet 1000V và khoảng 1Ω đối với Mosfet 500V.
IC 68AKHNK
Hình 3.3: Sơ đồ chân và hình dạng của IC Cấu trúc của IC nhƣ sau:
Hình 3.4: Cấu trúc của IC Nguyên lý hoạt động của IC
- Hoạt động của chân astable được phép khi đạt đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc của 2 chân
- Độ rộng của xung vuông của Q và Q là hàm của đầu vào phụ thuộc vào RC
Chân 5 của bộ tạo dao động đa hài cho phép mạch hoạt động ở chế độ astable, với độ rộng xung tại chân 13 bằng 1/2 đầu ra Q Tuy nhiên, thông tin này chỉ chính xác 50%.
Trong chế độ ổn định đơn, khi có sườn dương tại đầu vào và chân trigger(6) ở mức thấp, các xung đầu vào có thể xảy ra tại bất kỳ thời điểm nào tương ứng với xung đầu ra.
- Chân 12 cho phép kích mở trở lại khi nó là xung dương Đặc điểm của IC nhƣ sau:
- Công suất tiêu thụ thấp
- Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định
Các đầu ra ổn định yêu cầu một tín hiệu duy nhất ngoài R hoặc C, với các đầu vào có điểm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20V Đặc tính của hệ thống được chuẩn hóa, đảm bảo tính chất ở đầu ra chuẩn và đối xứng.
- Ta tính toán để có được xung ra là 50Hz như sau:
Hình 3.5: Dạng sóng đầu ra
Tín hiệu xung vuông ở đầu ra IC
Nguyên lý hoạt động
Toàn bộ hệ thống mạch sử dụng nguồn 12v từ ắc quy.Ắc quy trong mạch sử dụng với thông số là điện áp đầu ra 12v và dòng điện là 4A
Khi cấp dòng điện ắc quy 12V cho mạch dao động điện tử, mạch sẽ dao động với tần số khoảng 400Hz, giúp chuyển đổi năng lượng lớn qua biến áp Biến áp sau đó sẽ chuyển đổi điện áp từ 12V lên 220V.
Sơ đồ mô phỏng và sơ đồ mạch in
Hình 3.7: Sơ đồ mô phỏng
Hình 3.8: Sơ đồ mạch in
Lắp đặt và vận hành mô hình
Hình 3.9: Sơ đồ khối của mô hình
Hình 3.10: Tổng quan các thiết bị trong mô hình
Hình 3.11: Bảng mạch hoàn chỉnh
Hình 3.12: Mô hình trước lúc vận hành
Hình 3.13: Mô hình đang vận hành