LờI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Ngô Thuỳ Linh
Mã số sinh viên: 0962020026
Sinh viên lớp: ĐL - ĐĐT 3
Nghành: CN Kỹ thuật Điện - Điện tử
Trờng Đại học S phạm Kỹ thuật Nam Định
Xin cam đoan: Đề tài: Thiết kế bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một
chiều theo phơng pháp điều biến độ rộng xung là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trớc hội đồng bảo vệ đồ án và pháp luật.
TP. Nam Định, ngày tháng 02 năm 2011
Sinh viên
Ngô Thuỳ Linh
1
Mở đầu
1. Đặt vấn đề.
Khoa học công nghệ đang trên à phát triển, hầu hết các thiết bị đều liên
quan đến nguồn điện. Điện là nguồn năng lợng không thể thiếu trong đời sống
sinh hoạt hàng ngày của con ngời cũng nh trong việc sản xuất kinh doanh. Hiện
nay nớc ta đang trên đờng công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhiều thiết bị đợc đa vào
sản xuất đòi hỏi phải có nguồn điện cung cấp liên tục, vì nguồn cung cấp điện là
một vấn đề đợc quan tâm hàng đầu.
Nhiều thiết bị đợc sủ dụng trong đời sống hàng ngày đòi hỏi phải đợc cung
cấp điện một cách liên tục không gián đoạn nh Máy tính để lu lại dữ liệu khi mất
điện đột ngột... Vì vậy để giữ cho nguồn điện đợc liên tục thì chúng ta phải có một
bộ nguồn dự phòng để khi mất điện lới thì nguồn dự phòng hoạt động làm thiết bị
ta đang sử dụng không bị ngng hoạt động, đó là vấn đề cần đợc quan tâm trong
việc cung cấp nguồn cho các thiết bị điện.
2. Tầm quan trọng của đề tài.
Đề tài về nguồn điện là một đề tài đợc thực hiện khá nhiều lần từ trớc đến
nay. Thiết nghĩ nguồn là một hệ thống không thể thiếu trong tất cả các lĩnh vực.
trình nghiên cứu một cách khoa học. Trong nghiên cứu khoa học thờng sử dụng
các phơng pháp thu thập dữ kiện chung cho mọi khoa học xã hội, đó là phơng
pháp tham khảo tài liệu, điều tra phỏng vấn... mỗi phơng pháp dữ vai trò cho từng
loại nghiên cứu khác nhau. Tuy nhiên các phơng pháp khác vẫn đợc dùng để bổ
sung, các phơng pháp đều đợc vận dụng để thu thập dữ kiện trong đó có một ph-
ơng pháp giữ vai trò chủ đạo.
Phơng pháp thực nghiệm: Trong quá trình nghiên cứu em sử dụng
Testboard và một số thiết bị khác để kiểm tra hoạt động của mạch.
3
Tham khảo ý kiến Thầy cô, bạn bè.
Phơng pháp khảo sát: ở đây em có kháo sát một bộ Converter đợc bán trên
thị trờng từ đó tìm hiều nguyên lý cụ thể của chuyển đổi.
Phơng pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức cơ
bản của bản thân để từ đó chọn phơng án thực hiện đồ án.
6. Cấu trúc đồ án.
Đồ án đợc em trình bày trong 3 chơng:
- Mở đầu
- Chơng 1: Cơ sở lý thuyết và thực tiễn bộ biến đổi năng lợng điện
- Chơng 2: Cơ sở thiết kế bộ biến đổi AC/DC trong công nghiệp
- Chơng 3: Nguyên cứu, thiết kế bộ biến đổi AC/ DC có mass cách ly sử
dụng trong công nghiệp.
- Kết luận.
4
Chơng I: cơ sở lý thuyết và thực tiễn của các bộ
biến đổi năng lợng điện
1.1. Cơ sở lý thuyết trong biến đổi năng lợng
1.1.1 Các bộ biến đổi năng lợng trực tiếp
1.1.1.1 Bộ biến đổi ac dc
Bộ biến đổi AC DC là các mạch chỉnh lu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều.
=
- Điện áp tải:
- Dòng điện tải: I
d
= U
dc
/R
d
- Dòng điện chạy qua van: I
V
= Id/m
- Điện áp ngợc của van: U
N
= U
max
- Công suất biến áp:
- Số lần đập mạch trong một chu kì (m)
- Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải
1. 1.1.2 Bộ biến đổi AC AC
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của
điệp áp ngõ ra. Nó đợc mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu
dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhng trị hiệu
dụng điều chỉnh đợc. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều chỉ điều chỉnh đợc trị hiệu dụng dòng điện
xoay chiều nhng dòng điện không còn dạng sang sin, do đó nó không sử dụng đợc
cho phụ tải cần dòng dạng sin nh máy biến áp, động cơ không đồng bộ công suất
lớn hơn vài trăm W. Tuy nhiên nếu phụ tải không cần dòng dạng sin nh mạch
nhiệt ding điện trở thì Bộ biến đổi điện áp xoay chiều có u điểm nổi bật do công
suet tiêu tán nhiệt của linh kiện đóng ngắn bán dẫn không cao nh biến trở.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều đợc sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ
1
u
~
Hình 1.2: Mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
* Nguyên lý hoạt động
Hình1.3: Dạng sóng mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
Khi kích SCR
1
trong bán kỳ dơng với góc kích hoặc kích SCR
2
trong bán kỳ âm
với cùng góc kích thì :
u
R
= U
m
sin t = U
m
sin
Sau khi SCR
1
hoặc SCR
2
ngng dẫn, u
R
= 0. Do 2 SCR mắc ngợc chiều nhau nên
u
SCR1
= -u
SCR2
= U
m
sin khi SCR
1
và SCR
2
không dẫn
Trị hiệu dụng điện áp ra tải bằng:
7
u~
SCR
1
u
R
2
3
0
u
SCR1
=
-u
SCR2
SCR
/z
Công suất tác dụng trên tải: p
t
= u
r
.i = u
r
2
/i
Để đơn giản chỉ nên dùng một mạch điều khiển kích đồng thời cả SCR
1
lẫn SCR
2
,
mỗi chu kỳ kích 2 xung.
1 1.1.4 Bộ biến đổi DC AC
Bộ biến đổi DC AC chính là các mạch nghịch lu độc lập. Nó có nhiêm
vụ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể
thay đổi đợc và làm việc phụ tải độc lập.
Nguồn một chiều thông thờng là điện áp chỉnh lu, ắc quy và các nguồn một
chiều độc lập khác.
1.1.1.5 Nghịch lu dòng một pha
Nghịch lu dòng là thiết bị biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều
có tần số tuỳ ý.
Đặc điểm cơ bản của nghịch lu dòng là nguồn một chiều cấp điện cho bộ
biến đổi phải là nguồn dòng, do đó điện cảm đầu vào L
d
thờng có giá trị lớn vô
cùng để đảm bảo dòng điện là liên tục.
a) Sơ đồ mạch điện
3
, T
4
một góc 180
0
.
Điện cảm đầu vào của nghịch lu đủ lớn (L = ), do đó dòng điện đầu vào đ ợc san
phẳng, nguồn cấp cho nghịch lu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lu
(i
N
) có dạng xung vuông.
Hình1.5: Dạng sóng mạch
điện nghịch lu dòng một pha
Khi đa xung vào mở cặp van T
1
, T
2
, dòng điện i
N
= i
d
= I
d
. Đồng thời dòng qua tụ
C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu đợc nạp điện với dấu + ở bên trái và dấu - ở
bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về 0. Do i
N
= i
C
+ i
d
nhng đã đổi dấu. Tiếp đó, ngời ta đa xung vào mở T
1
, T
2
thì T
3
, T
4
sẽ bị khoá lại và quá trình đợc lặp lại nh trớc.
9
0
0
0
0
i
d
i
c
i
Z
i
T
1
i
dùng để trả công suất phản kháng của tải về lới và nh vậy tránh đợc
hiện tợng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C đợc mắc song song với nguồn để đảm bảo cho nguồn đầu vào là
nguồn một chiều. Nh vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của
tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp.
b) Nguyên lý làm việc
ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ữ
2
), cặp van T
1
, T
2
dẫn điện, phụ tải đợc đấu vào
nguồn. Do là nguồn áp nên điện áp trên tải U
t
= E (hớng dòng điện là đờng nét
liền). Tại thời điểm (0 =
2
), T
1
, T
2
bị khoá đồng thời T
3
, T
4
mở ra. Tải sẽ đợc đấu
10
T
1
0
i
T1
,2
0
i
D1
,2
0
i
0
E
vào nguồn theo chiều ngợc lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U
t
= -E
tại thời điểm
2
. Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hớng cũ (đờng
nét liền). T
1
, T
2
đã bị khoá, nên dòng phải khép mạch qua D
3
,D
4
. Suất điện động
d
U
d
K
+
_
U
1
t
1
U
t
2
T
CK
U
d
t
U
TB
Hình 1.8 :Sơ đồ mạch băm áp một chiều nối tiếp tải thuần trở
Mạch băm áp một chiều nối tiếp là mạch có phần tử chuyển mạch tạo các
xung điện áp đợc mắc nối tiếp với tải.
Điện áp một chiều đợc điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khoá K
trong chu kì đóng cắt. Trong khoảng 0 ữ t
1
khoá K đóng, điện áp tải bằng điện áp
nguồn (U
d
= U
Trong sơ đồ này, tải đợc mắc song song với khóa K
Hình1.9: Sơ đồ mạch băm áp một chiều song song
b) Nguyên lý làm việc
Hình1.10: Giản đồ thời gian
Khi khoá K đóng, dòng điện từ dơng nguồn qua R qua khoá K về âm nguồn,
không có dòng qua tải, điện áp và dòng điện tải bằng 0.
Dòng điện qua khoá K đợc xác định: i
S
= U
1
/R
Khi khoá K hở, dòng điện từ dơng nguồn qua R R
d
về âm nguồn
Dòng điện và điện áp tải đợc xác định:
13
d
d
d
d
T
R
RR
U
U
RR
U
i
+
=
+
R
i
S
i
T
U
1
R
t
R
d
U
d
U
1
L
d
K
E
d
-
+
D
0
i
S
i
N
i
Độ lớn dòng i
S
phụ thuộc vào độ lớn ủa E
d
.
Trong khoảng thời gian t
1
ữ t
2
khoá K hở, dòng điện chạy ngợc về nguồn chỉ tồn
tại khi E
d
> U
1
lúc đó có dòng i
N
đợc xác định:
d
d
N
R
UE
i
1
=
Hình 1.11: Băm áp có hoàn trả năng lợng về nguồn tải R+E
Xét trờng hợp khi tải điện cảm và có sức điện động (ví dụ động cơ làm việc ở
chế độ hạ tải
Hình 1.12: Băm áp có hoàn
N
U
d
0
1.1.2.3 Băm áp nối tiếp, song song kết hợp
-Khi nhận năng lợng từ lới, điều khiển K
N
.
Trong trờng hợp tải làm việc cả chế độ nhận năng lợng và trả năng lợng, sơ đồ
phối hợp nối tiếp và song đợc sử dụng.
- Khi trả năng lợng về lới, điều khiển K
S
.
Hình 1.13: Băm áp nối tiếp, song song kết hợp
15
U
d
U
1
K
S
R
d
L
d
E
d
-
+
D
Khối dò sai:so sánh điện áp lấy mẫu với điện áp chuẩn.
Khối tạo dao động: tạo ra xung để đa đến khối điều chế.
Điều khiển xung: lấy điện áp sai lệch từ dò sai để khống chế dao động đa đến
khuyếch đại xung.
Khuyếch đại xung: điều khiển khoá K ngắt mở theo dao động.
*Nguyên lý làm việc:
16
Chỉnh
lưu
Lọc
KĐ xung
R
C
D
L
Lấy mẫu
Dò sai
Tạo điện
áp chuẩn
Điều chế
xung
Tạo xung
Pulse Modulation
Sampling
Pulse Amp
Pulse Gen
Error Amp
Reference
Voltage
V
sánh với điện áp chuẩn. Điện áp sai lệch đợc đa đến khối điều chế xung điều khiển
thời gian mở của TZT dài ra điện áp ra không tăng.
17
DC Lọc
Start
Điều chế
xung
Lấy
mẫu
Dao
động
Dò sai
KĐ đệm
V
0
V
02
V
01
SW
f
H
Điện áp
chuẩn
*Đặc điểm của mạch:
Mass nguồn sơ cấp và mass thứ cấp đợc cách ly bởi biến áp xung. Trong thời
gian khoá đóng có dòng điện chảy qua sơ cấp của biến áp xung và khoá SW. Trong
thời gian khoá hở trên cuộn sơ cấp sinh ra dòng điện sảm ứnghai đầu cuộn thứ
cấp biến áp xung cũng xuất hiện điện áp cảm ứng.
Mạch này có u điểm hiệu suất khá cao, kích thớc tán nhiệt nhỏ.
- Nguồn lu trữ 12,7 V
- Có khả năng cung cấp điện tối đa là 10
tiếng
*Nguồn Upselect
Hóng sn xut : UPSELECT
Cụng sut(VA) : 500
Thi gian lu in ti a (1PC) : 8 phỳt
in ỏp vo : 220V
in ỏp ra : 220V
Thi gian sc li in (t 90%) : 7 gi
Hin th, giao tip :
o ốn LED hin th
o 2 ra
1.2.2 Nguồn PC
Cú hai loi ngun: Ngun kiu xung v ngun tuyn tớnh
- Ngun kiu xung AT (Advanced Technology):
Mch ngun xung (cũn gi l ngun ngt/m - switching) l mch nghch lu
thc hin vic chuyn i nng lng in mt chiu thnh nng lng in
xoay chiu.
*u im:
n gin, d tớnh toỏn thit k, d lp rỏp.
*Nhc im:
19
Cho phép dung sai linh kiện rất thấp. Không cách ly được mass sơ cấp và thứ
cấp nên gây giật cho người sử dụng, gây nguy hiểm cho các linh kiện nhạy cảm.
Chính vì vậy nguồn kiểu này hiện nay rất ít được sử dụng
Nguồn tuyến tính ATX (Advanced Technology EXtended):
Cáp nối bộ nguồn ATX với Mainboard chỉ có một đầu dây nối 20 dây. Và có
nhiều đầu nối 4 dây với 2 loại kích cỡ (loại lớn để cấp nguồn cho HDD, CD-
ROM, … loại nhỏ cấp nguồn cho FDD). Dây công tắc được nối với Mainboard
Tên sản phẩm : Switchwell bộ nguồn xung 24V 100W 4.5A
- Bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch
- Tiếng ôn thấp.
- Có bộ lọc EMI bên trong
- Điện áp vào: 110/220VAC.
21
• Ngu ồ n xung ổ n ¸p SPA & SPC1
Tªn sản phẩm : Autonics bộ nguồn xung ổn ¸p SPA-100-12
- Đặc điểm chính
* Bao gồm mạch bảo vệ quá áp và quá nhiệt, bảo vệ ngắn mạch ngõ ra, quá
dòng
* Đúng theo quy định an toàn IEC60950,
IEC50178
* Đúng theo EN61000-6-2 cho EMS
* Đúng theo EN61000-6-4 cho EMI
- Thông số kỹ thuật
* Điện áp ngõ ra : 12VDC
* Công suất ngõ ra : 100W
* Nguồn cấp : 100-240VAC, 100-120/200-
240VAC
* Tần số : 50/60Hz
- Ứng dụng
Ứng dụng cho nhiều loại máy móc công nghiệp
và máy móc truyền thông đòi hỏi công suất tiêu thụ thấp và trọng lượng nhẹ
22
Chơng II:
Cơ sở thiết kế bộ biến đổi AC/DC
trong công nghiệp
2.1.Sơ đồ khối của bộ biến đổi
+Phơng pháp này thờng dùng IC OPAM với điều kiện là điện áp chuẩn
đợc đa vào đầu không đảo(đầu psittree).
+Điện áp lấy mẫu(V
S
) lấy ở thứ cấp biến áp switching đa vào đầu
đảo(đầu invert).
Phơng pháp này sử dụng cho PWM(giữ nguyên tần số thay đổi độ rộng xung)để
thay đổi điện áp trung bình ở đầu ra.
Từ giản đồ ta thấy V
S
là điện áp lấy mẫu đạt đợc giá trị trung bình và điện áp đặc
tuyến cũng đạt đợc giá trị trung bình thì điện áp ra có thời gian tồn tại là T/2 tức là
bằng 1/2 thời gian tồn tại của điện áp răng ca.
Nguyên tắc ổn áp đợc mịnh hoạ bằng giản đồ thời gian sau:
24
V
Ref
V
S
V
S
U
RA
V
S
U
RA
V
S
C2
C
2
R
c1
C
1
R
c2
+V
C2
C1
Rc2
Rb1
Rb2
Rc1
Q2
Q1
Copyright: Tài liệu đại học ©