Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất còn có tên gọi là “Kỹ thuật biến đổi điện năng” là một ngành kỹ thuật
điện tử nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để không chế biến
đổi nguồn năng lượng điện.
Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại.
Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến
đổi bán dẫn công suất như : truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia
nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ,các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa
chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau
Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những
tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày
càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện
áp. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điều
khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng. Đây cũng chính là đề tài của đồ án này:
“ Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập nguồn áp với tần số ra không thay đổi ”
Bản báo cáo của em gồm 5 chương lớn:
 Chương 1:Giới thiệu chung
 Chương 2:Lựa chọn phương án thiết kế
 Chương 3:Thiết kế mạch lực
 Chương 4:Thiết kế mạch điều khiển
 Chương 5 :Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm mô phỏng
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Khắc Hưng cùng các thầy cô giáo bộ môn Tự
động hóa đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình làm đồ án, do lần đầu
tiếp cận với đồ án, chúng em không tránh khỏi những sai sót, em rất mong được các thầy cô
chỉ bảo thêm.
Nhóm 7 Page 1
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
MỤC LỤC :
Lời nói đầu 1

3.1.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực 16
3.2. Chọn van IGBT 16
Hình 3.1 V1 khóa, V4 thông 16
3.3. Tính toán chọn Diode 17
3.4. Tính giá trị tụ C 18
3.5: Tính toán bộ lọc 18
Hình 3.2: Bộ lọc LC 19
3.6: Tính toán mắt lọc chặn tần số sóng mang 19
Hình 3.3: sơ đồ lọc chặn tần số sóng mang 20
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển 21
4.1. Nhiệm vụ và chức năng của mạch điều khiển : 21
4.1.1Nhiệm vụ 21
4.1.2 Yêu cầu chung về mạch điều khiển là : 21
Nhóm 7 Page 3
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
4.2: Tính toán mạch điều khiển: 22
4.2.1 Tính toán để có được xung ra là 80Hz 22
4.2.2 Tính toán xung tam giác 2 cực tính 22
Hình 4.1 sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cực tính 23
4.2.3 Tính toán mạch tạo xung đồng bộ 23
Hình 4.2: sơ đồ tạo xung đồng bộ 24
4.2.4 Điều kiện nguyên lý hoạt động sơ đồ cầu Wien 24
Hình 4.3 sơ đồ cầu Wien 25
Chương 5: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm mô phỏng 26
5.1: Một số phần mềm mô phỏng điện tử công suất 26
5.1.1: Phần mềm TINA 26
5.1.2: phần mềm PSIM 27
5.2: Mô phỏng mạch lực 27
Hình 5.1: sơ đồ mạch lực 27
Hình 5.2: đồ thị nghịch lưu độc lập dùng phương pháp SPWM 28

MOSFET, BJT do công nghệ chế tạo các phần tử này đã hoàn chỉnh hơn rất nhiều.
Ở đây chúng ta có NL nguồn áp 1 pha, 3 pha.
Nhóm 7 Page 5
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
1.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha
Sơ đồ gồm 4 van điều khiển hoàn toàn V1, V2, V3, V4 và các điôt ngược D1, D2, D3,
D4. Các điôt ngược là bắt buộc phải có trong sơ đồ NLĐL nguồn áp, giúp cho quá trình trao
đổi công suất phản kháng với nguồn. Nguồn cung cấp là nguồn áp với đặc trưng là tụ Co có
giá trị đủ lớn, có 2 vai trò:
 San bằng điện áp khi nguồn đầu vào E là một chỉnh lưu.
 Trao đổi công suất phản kháng với tải qua các điôt ngược.
Hình 1.1 Mạch NLĐL nguồn điện áp một pha
Nếu không có tụ Co, hoặc tụ Co quá nhỏ sẽ không có đường chạy cho dòng phản kháng
dẫn đến quá điện áp trên các phần tử trong sơ đồ.
1.3.2 Ngịch lưu độc lập nguồn áp ba pha
Sơ đồ gồm sáu van IGBT V1, V2, V3, V4, V5, V6 và sáu điôt ngược D1, D2, D3, D4, D5,
D6. Tương tự như NLĐL nguồn điện áp một pha, các điôt ngược có vai trò giúp cho quá
trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải và nguồn.
Hình 1.2. Mạch NLĐL nguồn điện áp cầu 3 pha
Nhóm 7 Page 6
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Đầu vào một chiều là nguồn áp với tụ C đủ lớn. Có thể dùng thêm bộ DC-DC để có điện
áp vào mong muốn. Phụ tải Za=Zb=Zc đấu Y hoặc ∆.
1.4.Yêu cầu đối với bộ nghịch lưu nguồn áp
Bộ nghịch lưu nguồn áp với tần số ra không biến đổi phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
 Đảm bảo cho dạng dòng điện ra trên tải hình sin.
 Điều chỉnh vô cấp được tần số của điện áp ra trên tải.
 An toàn đối với người vận hành cũng như các phần tử của mạch khi gặp sự cố.
 Chi phí thiết kế vận hành thấp.


Ungmax( trị số điện áp cực đại). Trong thực tế điện áp ngược cho phép đặt vào van :
Ung thực tế ( 0.7-0.8) Ungmax của van thì an toàn.
Khi đặt 1 điện thế Uak>0 điện từ vùng N vượt qua vùng mặt gép J sang miền P và
đến cực dương của nguồn. Nếu bỗng nhiên đặt Uak <0, các điện tử ở vùng P phải quay
về vùng N. Sự di chuyển này tạo nên dòng điện ngược chạy qua diode từ K tới A trong
thời gian ngắn, nhưng cường độ dòng điện này lớn hơn nhiều so với dòng điện ngược
bình thường. Ban đầu dòng điện ngược này khá lớn, sau đó suy giảm và khoảng 1 thời
gian (turn off time) nó giảm xuống gần bằng 0.
 Đang ở chế độ khóa, dòng điện ngược qua van rất nhỏ, không đáng kể nếu bỗng
nhiên đặt Uak>0 vào diode, dòng điện I không thể đạt giá trị U/R mà phải mất 1
Nhóm 7 Page 8
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
khoảng thời gian ( tunr on time) để các điện tích đa số đồng loạt di động, cỡ
 Khi tần số nguồn F 100Khz thì diode sẽ mất tính dẫn điện theo 1 chiều( mất chế độ
khóa).

1.5.2 IGBT
1.5.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải
lớn của tranzito thường. Về mặt điều khiển IGBT gần như giống hoàn toàn
MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu
cực nhỏ.

Hình 1.4 cấu trúc bán dẫn
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển U
GE
> 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là các
điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET.
Các điện từ di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa
bazơ và colectơ ở tranzito thường, tạo nên dòng colectơ do đó cấu trúc p-n-p mà điện áp


2.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một
pha

Sơ đồ mạch lực PWM một pha được biểu diễn như hình 2.2
Hình 2.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu PWM một pha
Hai đại lượng cần phải quan tâm khi xem xét về PWM là: sóng mang
và sóng điều biên.
+ Sóng mang: Sóng mang là sóng tam giác có tần số rất lớn có thể đến hàng chục thậm
chí hàng trăm kHz.
Nhóm 7 Page 11
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
+ Sóng điều biên: Sóng điều biên là sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng cơ bản
đầu ra của bộ nghịch lưu. Sóng điều biên chính là dạng sóng mong muốn ở đầu ra của mạch
nghịch lưu.
Hình 2.2 biểu diễn điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực. Chu kì đóng mở
được điều khiển sao cho bề rộng xung của các chu kì là cực đại ở đỉnh sóng hình sin cơ bản.
Hình2.2 Điện áp ra của bộ nghịch lưu PWM đơn cực
Để ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình
sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp. Các điều hòa của sóng điều chế theo phương
pháp PWM giảm rõ rệt theo phương pháp này.
Để xác định thời điểm kích mở cần thiết để tổng hợp đúng dạng sóng đầu ra theo
phương pháp PWM trong mạch điều khiển người ta tạo ra một sóng sin chuẩn mong muốn
và so sánh nó với một dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình . Giao điểm của hai sóng
xác định thời điểm kích mở van bán dẫn.
Nhóm 7 Page 12
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Hình 2.3 Đồ thị xác định thời điểm kích mở thysistor
Điện áp của đầu ra bộ nghịch lưu PWM cực đại khi ở chế độ xung vuông, có nghĩa là
khi đó đầu ra của PWM giống như bộ nghịch lưu nguồn áp đã đề cập ở trên. Khi điện áp điều

lưu PWM phải chú ý đến giá thành bổ xung phần tử chuyển mạch và tổn hao chuyển mạch,
song song với điều đó phải tính đến sóng cơ bản còn lại ở đầu ra
2.3: Lựa chọn phương án thiết kế
Do hiện nay lọc thụ động thường chỉ dùng tần số ra không thay đổi như bộ nguồn UPS và
phải kết hợp với cá phương pháp hiệu quả hơn, mà được dùng nhiều nhất là phương pháp điều
chế độ rộng xung PWM. Nên ta lựa chọn phương pháp PWM
Nhóm 7 Page 15
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Chương 3: Thiết kế mạch lực

3.1.Mạch lực:
3.1.1 Nhiệm vụ và chức năng của mạch lực
* Nhiệm vụ
- Cấp mass cho 2 đầu cuộn dây sơ cấp của máy biến áp điểm giữa.
Nhóm 7 Page 16
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
- Đóng cắt theo xung điều khiển vào cực G.
*Yêu cầu
- Mạch lực chịu tần số đóng cắt lớn.
- Mosfet xả hết điện khi ngưng dẫn.
3.2. Chọn van IGBT
Như vậy điện áp lớn nhất đặt lên các van IGBT là:
= = . = .127=316,95(V)
Trong đó q là hệ số biến điệu. (0 < q < 0.866) Hình 3.1 V1 khóa, V4 thông
*) Dòng điện trung bình đi qua van:
Biểu thức dòng trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:
0
sin( )[1 sin( )]
4.
m

Van IRG4PH404 Icmax/A = 30, Vces = 1200, Pdmax = 160
Vcc= 2,7 Ices/uA = 250
3.3. Tính toán chọn Diode
Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van
maxDng g
U V
=
Biểu thức dòng điện trung bình đi qua Diode trong một chu kỳ điện áp ra là:
2
0
1
sin( )
2
D m
t t d t
I I
π
ω ω
π
= ∆
∫
Giá trị cực đại của dòng trung bình qua Diode:
= (1-q)= (1-q)= (1-0,85)=1,273(A)
Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:
= =2.316,95 633,9(V)
= =1,5.1,273 1,909(A)
Từ 2 thông số trên ta chọn DIODE có các thông số chính sau:
BYD13-K Ungmax = 800, I = 2A
3.4. Tính giá trị tụ C
Nhóm 7 Page 18

Suy ra ta lấy
 Công suất phản kháng

Nhóm 7 Page 19
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
 Ta có Ira = 12A =>

 Ta cóHình 3.2: Bộ lọc LC

3.6: Tính toán mắt lọc chặn tần số sóng mang
Ta chọn tần số mang 4kHz với tham số tải là 1000W, điện áp ra 127V và = 80Hz
Sụt điện áp trên điện cảm ở tần số cơ bản: = 0,01.127 = 1,27 V, chọn sụt áp trên
mắt lọc bằng 1V
Nhóm 7 Page 20
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Do dòng điện mức tải
Suy ra điện cảm
=> = 0,4mH
Tính toán tụ điện

Kiểm tra tổng trở tần số cơ bản

Hình 3.3 sơ đồ lọc chặn tần số sóng mang
Nhóm 7 Page 21
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển


và R
D
tính bằng Ω ,C
T
tính bằng F,f tính bằng Hz
với f = 80hz, ta có :
ta chọn: Ct = 0,025 uF
R
D
= 100Ω
Rt = 165 k
�
4.2.2 Tính toán xung tam giác 2 cực tính
Nhóm 7 Page 23
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
Chọn tần số điện áp của tam giác 4kHz
Nguồn E , UOA = 12V, biên độ điện áp
Có điện áp đầu ra OA1 cực đại Um = UOA + UDZ = 12+ 0,7 = 12,7V
Trong khoảng thời gian một nửa chu kỳ điện áp răng cưa phải biến thiên được giá trị bằng
2 lần biên độ điện áp tam giác Ung
=> CR1=
Chọn tụ C = 22nF => R1 =
Vậy chọn R1 = 20k
Ta có => R3 = 0,787.R2
Chọn R2 = 10k và R3 là biến trở 10k
Hình 4.1 sơ đồ tạo xung răng cưa 2 cực tính
Nhóm 7 Page 24
Thiết kế bộ nghịch lưu độc lập điện áp tần số ra không thay đổi
4.2.3Tính toán mạch tạo xung đồng bộ
Ta có xung đồng bộ 0,5ms biết tần số lưới là 80Hz