ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: MẠCH NGHỊCH LƢU 1 PHA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: VŨ VÂN THANH SINH VIÊN THỰC HIÊN: NGUYỄN ĐÌNH TOÀN NGUYỄN HỬU HÂN TRẦN VIẾT DUY NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 1 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 1 LỜI NÓI ĐẦU. 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHƢƠNG .1 Giới thiệu chương: .2 Khái niệm và phân loại nghịch lưu: .4 Nghịch lưu cộng hưởng.5 Nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM.3 Mạch nghịch lưu mà nhóm chọn: .1 Mục đích chọn đề tài.4 Kết luận chương: .11 2 CHƢƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ .1 Giới thiệu chương: .2 Các linh kiện thụ động:.3 Các linh kiện điện tử chủ động.4 Vi mạch khuếch đại thuật toán- OP-AMP.1 Cấu tạo và ký hiệu.2 Nguyên lý hoạt động.3 Ứng Dụng chính của OP-AMP.5 Vi mạch định thời.1 Vi mạch định thời IC555. 29 NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 2 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2.2 Vi mạch định thời dùng Flip-Flop. 35 3 Chƣơng III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH NGHỊCH LƢU.1 Giới thiệu chương: .2 Yêu cầu thiết kế: .1 Phân tích Furier dạng sóng ra của mạch nghịch lưu.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha.3 Phân tích sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha.1 Thiết kế mạch động lực.2 Thiết kế mạch Monostable.3 Thiết Kế Mạch vi phân.4 Thiết kế mạch Astable.5 Thiết kế mạch nguồn .6 Thiết kế mạch hồi tiếp và ổn định điện áp.7 Thi công mạch.8 Tổng Kết Chương 3.
67 KẾT LUẬN LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỄN ĐỀ TÀI. 68 NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 3 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 1 LỜI NÓI ĐẦU 1. Mục đích lựa chọn đề tài: Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, đời sống của ngƣời dân ngày càng phát triển và dân số ngày càng tăng, điều này dẫn đến nhu cầu sử dụng năng lƣợng ngày càng cao. Ở nƣớc ta hiện nay hầu hết hầu hết năng lƣợng đều đƣợc tạo ra từ các nhà mấy nhiệt điện và thủy điện.
Đây là những ngồn năng lƣợng truyền thống nhƣng hầu hết đều không thể tái tạo và để lại nhiều hệ lụy cho môi trƣờng và xã hội. Theo thống kê 2005 sản lƣợng khai thác than của nƣớc ta chỉ đáp ứng 40 đến 50% nhu cầu sản xuất điện và theo dự đoán thì đến 2020 nƣớc ta có thể phải nhập khẩu than vì trữ lƣợng than đã cạn kiệt. Theo dự báo kế hoạch phát triển thủy điện trong tổng sơ đồ điện VII đến năm 2020, Toàn bộ trữ lƣợng tiềm năng kinh tế - kỹ thuật của thủy điện lớn sẽ đƣợc khai thác hết, nhƣ vậy năng lƣợng thủy điện từ các dòng sống chính sẽ không còn khả năng khai thác nữa. Và còn nhiều vấn đền khác trong việc sử dụng năng lƣợng truyền thống nhƣ dầu khí địa nhiệt … Từ những điều trên cho thấy sự cấp thiết trong việc đẩy mạch khai thác những nguồn năng lƣợng tái tạo và ít gây những hệ lụy về sau đối với môi trƣờng.
Nhƣ năng lƣợng gió, mặt trời, sóng…Đặc điểm của điện đƣợc sản suất ra có tần số cố định. Bởi vậy cần phải có thiết bị biến đổi chúng thành nguồn một chiều trung gian sau đó nghịch lƣu để tạo ra nguồn xoay chiều có điện áp và tần số thích hợp. Để hòa vào lƣới điện, những nhà máy năng lƣợng sạch cần đảm bảo điều kiện giống với lƣới điện và việc sử dụng nghịch lƣu là điều bắt buộc. Bên cạnh những vấn đề trên, Hiện nay các thiết bị điện ƣớng dụng nghịch lƣu rất phổ biến, nhƣ điều khiển tốc độ động cơ, biến đổi nguồn 1 chiều từ pin, acquy cung cấp cho thiết bị điều khiển và thiết bị sử dụng ngồn xoay chiều.
Nhƣ vậy ta đã thấy đƣợc tầm quan trọng của nghịch lƣu trong đời sống NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 4 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2. Mục đích làm đề tài : • Nghiên cứu thiết kế và thi công mạch nghịch lƣu ứng dụng trong các thiết bị biến đổi điện 1 chiều từ pin và acquy để phụ vụ vung cấp điện cho các hộ dân vùng sau vùng xa chƣa tiếp cận đƣợc với lƣới điện. • Khi làm đề tài này sẽ ứng dụng đƣợc các kiến thức ở các môn điện tử ứng dụng, kĩ thuật điện tử, kĩ thuật xung số, và các môn học về điện khác. • Đây cũng là một đề tài để hoàn thành môn đồ án điện tử ứng dụng tại trƣờng.
• Sản phẩm sẽ đƣợc ứng dụng trong các sản phẩm lớn hơn sau này 3. Các phần của đề tài: Chƣơng 1: Tổng quan. Chƣơng 2: Cơ sỡ lý thuyết. Chƣơng 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng.
Trong quá trình làm việc được sự hỗ trợ của những người nào: Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm đã gặp một số vƣớng mắc và đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ của thầy hƣớng dẫn- Vũ Vân Thanh. Nhóm rất cảm ơn thầy vì đã nhiệt tình trong việc hƣớng dẫn thực hiện đồ án. Đây cũng là đồ án đầu tiên và cũng là lần đầu tiên thực hiện làm tiếp xúc với điều kiện thực tế. Nên không thể thiếu những sai sót, Mong quý vị thông cảm và đóng góp để nhóm có thể hoàn thiện mạch hơn.
Đà nẵng, 10/12/2018 NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 5 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1.1 Giới thiệu chương: Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu sử dụng đa dạng về dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều. Điều này đòi hỏi phải có sự biến đổi lẫn nhau giữa xoay chiều và một chiều trong cùng một hệ thống công nghệ. Trong phần này chúng ta sẽ đi khái quát về mạch nghịch lƣu 1 pha để thấy đƣợc sự cần thiết của nó trong đời sống hiện nay.2 Khái niệm và phân loại nghịch lưu: 1.1 Khái niệm: Mạch nghịch lƣu là thiết bị dùng để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Điện áp và tần số đầu ra có thể biến đổi đƣợc để phù hợp với yêu cầu sử dụng của từng cá nhân hoặc đơn vị.
Nguồn cung cấp cho nghịch lƣu điện áp chỉnh lƣu, acquy, và một số nguồn khác. Có rất nhiều cách phân loại mạch nghịch lƣu nhƣng phổ biến nhất mọi ngƣời vẫn thƣờng phân loại theo: Phân loại theo sơ đồ: ví dụ nghịch lƣu 1 pha và nghịch lƣu 3 pha Phân loai theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu: Nghịch lƣu áp, nghịch lƣu dòng, nghịch lƣu cộng hƣởng. Trong chƣơng đề tài này chúng tôi chỉ chú trọng đên cách phân loại thứ hai để lựu chọn ƣu tiên trong quá trình thiết kế. Vì vậy chúng tôi sẽ chỉ đi sâu và phân tích theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lƣu để lựa chon phƣơng án thiết kế.
Nghịch lƣu dòng là thiết bị biến đổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số tùy ý. Đặc điểm cơ bản của nghịch lƣu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào Ld thƣờng có giá trị lớn vô cùng để dòng điện là liên tục. NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 6 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Hình 1.1 Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha 1. Nghịch lƣu áp là thiết bị dùng để biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp với đầu ra xoay chiều và tần số tùy thuộc vào yêu cầu của ngƣời sử dụng.
Nguồn áp đƣợc dùng rất phổ biến trong thực tế. Khi sử dụng nguồn áp thì đầu ra có thể đƣợc điều chế theo nhiều phƣơng pháp khác nhau để có thể lọc đƣợc các dạng sóng điều hòa bậc cao ở đầu ra. Khi công nghệ bán dẫn phát trển mạnh. Công suất truyền tải điện của các thiết bị bán dẫn ngày càng lớn.
Những van động lực nhƣ IGBT, MOSFE, GTO. có công suất lớn và kích thƣớc trở nên nhỏ gọn. Do đó nghịch lƣu áp trở nên thông dụng và đƣợc chuẩn hóa trong các bộ biến tần công nghiệp. Để dể hình dùng chúng ta sẽ xem qua sơ đồ nguyên lý của nghịch lƣu áp cầu 1 pha.
Sơ đồ nghịch lưu áp cầu 1 pha NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 7 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 1.4 Nghịch lưu cộng hưởng. Nghịch lƣu cộng hƣởng nối tiếp. Nghịch lƣu cộng hƣởng song song.2 Ưu nhược điểm nghịch lưu cộng. Giá trị điện cảm không lớn nhƣ nghịch lƣu dòng (Ld= ) và không nhỏ hơn nghịch lƣu áp (Ld=0), mà chiếm một vị trí trung gian sao cho khi kết hợn với điện cảm của tải Lt và tụ điện C thì trong mạch sẽ xuất hiện hiện tƣợng dao động.5 Nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM.
Các bộ nghịch lƣu đã trình bày ở trên có điện áp ra có chứa nhiều sóng hài. Để nâng cao chất lƣợng điện áp và dòng điện đầu ra của bộ nghịch lƣu, bộ nghịch lƣu điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) đƣợc đƣa ra nghiên cứu và ứng dụng. Ƣu điểm của kỹ thuật này là: Các thành phần điều hoà của điện áp hoặc dòng điện ra bị đẩy sang phía tần số cao do đó dễ lọc. NGHỊCH LƢU MỘT PHA Trang 8 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG Cho phép thay đổi điện áp ra bằng sơ đồ có hai khoá chuyển mạch trong một pha.
Luật điều khiển của phƣơng pháp điều biến độ rộng xung PWM đƣợc sử dụng nhiều nhất là luật so sánh. Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ đƣợc so sánh với các xung hình tam giác. Tần số chuyển mạch của nghịch lƣu fcm bằng tần số xung tam giác fx, có giá trị không đổi; tần số xung tam giác còn gọi là tần số mang. Tần số tín hiệu điều khiển f1 có tên là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lƣu.
U dkm Hệ số điều biến biên độ đƣợc định nghĩa là: ma U xm Udkm – biên độ của tín hiệu điều khiển. Umx –biên độ của tín hiệu xung tam giác. fx Hệ số điều biến tần số là: mx f1 Xét một chu kỳ điện áp mang (hình 1. Khi xếp chồng U dk và U x chúng cắt nhau tại các hoành độ va 2 .Các giao điểm của chúng quyết định giá trị trung bình của điện áp ra.
2 0 2 0 2 0 2 2 2U tb Do đó ma E Qua biểu thức ta thấy rằng: giá trị trung bình của điện áp ra trong một chu kỳ điện áp mang tỉ lệ với điện áp điều khiển. Nếu điện áp điều khiển có dạng hình sin thì Utb dạng hình sin. Ngƣời ta có thể điều chỉnh biên độ điện áp ra bằng cách tác động vào tỉ số Udkm /Uxm.