Tài liệu Thiết kế và thi công bộ nghịch lưu từ 12vdc sang 220vac500w

1 MỤC LỤC trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................3 DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ..................................................8 LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................10 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN...................................................................11 1.1 Yêu cầu và mục tiêu của đề tài.........................................................11 1.2 Giới thiệu thiết bị chuyển đổi điện áp..............................................12 1.3 Chuyển đổi AC – AC........................................................................12 1.3.1 Giới thiệu về máy biến áp........................................................12 1.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp.....................................13 1.4 Chuyển đổi AC – DC.......................................................................15 1.4.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ......................................................15 1.4.2 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ...................................................16 1.5 Chuyển đổi DC – DC.......................................................................17 CHƯƠNG 2 – HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU...........................................18 2.1 Tổng quan về hệ thống nghịch lưu...................................................18 2.2 Nghịch lưu phụ thuộc......................................................................18 2.3 Nghịch lưu độc lập..........................................................................18 2.3.1 Nghịch lưu song song và nối tiếp.............................................19 2.3.2 Nghịch lưu dòng và nguồn áp..................................................21 2.4 Các mạch nghịch lưu điển hình........................................................22 2.4.1 Nghịch lưu dùng dao động đa hài...........................................22 2.4.2 Nghịch lưu dùng dao động Blocking......................................24 2.4.3 Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều...................25 CHƯƠNG 3 – CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG BỘ NGHỊCH LƯU 3.1 Giới thiệu tổng quan AVR................................................................28 2 3.1.1 Vi điều khiển ATmega16.........................................................29 3.1.2 Một số modul của Atmega16..................................................31 3.2 Giới thiệu màn hình hiển thị LCD..................................................47 3.2.1 Hoạt động LCD.......................................................................47 3.2.2 Chức năng các chân của LCD................................................47 3.3 IC ổn áp 7805..................................................................................50 3.4 IRF 3205..........................................................................................51 3.5 Biến áp............................................................................................52 CHƯƠNG 4 – THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 4.1 Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu..........................................................57 4.1.1 Sơ đồ khối...............................................................................57 4.1.2 Chức năng các khối.................................................................57 4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý.....................................................................58 4.3 Sơ đồ mạch in...................................................................................63 4.4 Lưu đồ thuật toán sử lý của bộ nghịch lưu.......................................66 4.4.1 Lưu đồ chương trình chính.......................................................66 4.4.2 Lưu đồ chương trình phím ấn..................................................67 4.4.3 Lưu đồ chương trình nghịch lưu.............................................68 4.4.4 Lưu đồ chương trình nạp.........................................................69 4.5 Nguyên lý hoat động của bộ nghịch lưu..........................................70 4.6 Chương trình điều khiển...................................................................72 KẾT LUẬN................................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................90 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A AC Alternating6 Current Điện xoay chiều ADC Analog to Digital Chuyển đổi tương tự sang số Converter ADCD ADC Data Register Thanh ghi dữ liệu ADCSR ADC control and status Thanh ghi điều khiển và lưu ADEN ADIE ADMUX register ADC enable ADC interrupt Flag Multiplexer select trạng thái của ADC Cho phép ADC hoạt dộng Cờ ngắt ADC Thanh ghi dùng để lựa chọn ADPS register ADC Prescaler Select kênh đầu vào cho ADC Lựa chọn xung nhịp Bits ADRR ADC Free Running Chọn chuyển đổi tự do ADSC select ADC start conversion Bắt đầu chuyển đổi ADC B BJT Bipolar junction Transitor lưỡng cực transistor C CPU Central Processing Unit Đơn vị sử lý trung tâm D DC Điện một chiều E EEPROM Electrically Erasable bộ nhớ không mất dữ liệu khi Programmable Read- ngừng cung cấp điện Only Memory 4 I I/O ISR IN/OUT Vào/Ra Chương trình quản lý ngắt L LCD LED Liquid Crystal Display Light Emitting Diode Màn hình hiển thị tinh thể lỏng Điốt phát quang H Hz Hetz Đơn vị tần số M MOSFET MUX Metal – oxit transistor hiệu ứng trường Oxit semiconductor field – Kim loại - Bán dẫn Effect transistor ADC Multiplexer select Thanh ghi chọn kênh đầu vào register cho ADC O OCF OCR Output Compare Cờ so sánh Thanh ghi so sánh đầu ra PWM Registers Pulse-width Điều biến độ rộng xung modulation R R/W RTC Read/Write real timer clock Đọc/Ghi Đồng hồ đếm thời gian thực S SCR Silicon controlled Linh kiện chỉnh lưu điều khiển SPI rectifiers Serial Peripheral Giao diện nối tiếp ngoại vi SRAM Interface Static random-access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên memory T TCCR Timer/counter Control Thanh ghi điều khiển 5 TCNT TEMP TIFR TIMSK Register0 Timer/counter Timer/counter Thanh ghi giá trị Timer Interrupt Flag Thanh ghi cờ ngắt Register Timer Interrupt Mask Thanh ghi dăng ký ngắt Register TOV Cờ tràn U USART Universal Synchronous Truyền thông nối tiếp tốc độ and Asynchronous cao serial Receiver and Transmitter V VCC VĐK + 5V Vi điều khiển VEE Cấp nguồn điều khiển tương VSS phản Đất 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Vectơ ngắt của Atmega 16...........................................................43 Bảng 3.2 Bảng trạng thái của các bít ADPS2-ADPS0................................46 Bảng 3.3 Mô tả các chân của LCD..............................................................49 Bảng 3.4 Các mã lệnh LCD.........................................................................50 Bảng 3.5 Quan hệ Ch theo S2.......................................................................55 Bảng 3.6 Quan hệ giữa J theo S2.................................................................56 Bảng 3.7 Tóm tắt kết quả tính toán.............................................................56 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cấu tạo của máy biến áp...............................................................13 Hình 1.2 Hoạt động máy biến áp.................................................................14 Hình 1.3 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ..........................................................16 Hình 1.4 Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng cầu chỉnh lưu................................16 Hình 1.5 Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa.....................16 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu song song........................................19 Hình 2.2 Dạng sóng nghịch lưu song song.................................................19 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nối tiếp...........................................20 Hình 2.4 Dạng song nghịch lưu nối tiếp.....................................................20 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghich lưu nguồn dòng..............................................................................................21 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghich lưu nguồn Áp.................................................................................................22 Hình 2.7 Nguyên lý mạch nghịch lưu dùng dao động đa hài......................22 Hình 2.8 Dạng sóng của nghịch lưu dùng dao động đa hài.........................23 Hình 2.9 Nghịch lưu dùng dao động Blocking...........................................24 Hình 2.10 Chuyển đổi DC-DC nghịch lưu sủ dụng nhiều cấp điện áp một chiều......................................................................................25 Hình 2.11 Chuyển đổi DC-AC nghịch lưu sủ dụng nhiều cấp điện áp một chiều......................................................................................26 Hình 2.12 Dạng sóng ra nghịch lưu sủ dụng nhiều cấp điện áp một chiều.....................................................................................................26 Hình 3.1 Sơ đồ chân Atmega 16..................................................................39 Hình 3.2 Thanh ghi DDRA.........................................................................32 Hình 3.3 Thanh ghi PORTA........................................................................32 Hình 3.4 Thanh ghi PINA...........................................................................33 Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo Timer/counter0.......................................................35 8 Hình 3.6 Thanh ghi điều khiển TCCR0 của Timer/counter0......................35 Hình 3.7 Thanh ghi giá trị TCNT0 của Timer/counter0.............................36 Hình 3.8 Thanh ghi điều khiển TCCR1A của Timer/counter1...................37 Hình 3.9 Thanh ghi điều khiển TCCR1B Timer/counter1..........................37 Hình 3.10 Thanh ghi giá trị TCNT1 của Timer/counter1............................37 Hình 3.11 Thanh ghi so sánh OCR1A của Timer/counter1.........................38 Hình 3.12 Thanh ghi so sánh OCR1A của Timer/counter1........................39 Hình 3.13 Thanh ghi điều khiển TCCR2 của Timer/counter2....................40 Hình 3.14 Thanh ghi giá trị TCNT2 của Timer/ counter2..........................40 Hình 3.15 Thanh ghi so sánh ngõ ra: OCR2...............................................41 Hình 3.16 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC..................................................44 Hình 3.17 Hình dạng LCD..........................................................................47 Hình 3.18 thể hiện các chân của LCD16x2................................................48 Hình 3.19 Hình dạng và cấu tạo của 7805..................................................50 Hình 3.20 Hình dạng và cấu tạo IRF3205...................................................51 Hình 3.21 Hình dạng lõi thép......................................................................53 Hình 3.22 Sơ đồ dây quấn của biến áp........................................................54 Hình 4.1 Khối nguồn...................................................................................58 Hình 4.2 Khối điều khiển trung tâm............................................................59 Hình 4.3 Khối chuyển mạch........................................................................59 Hình 4.4 Khối hồi tiếp.................................................................................60 Hình 4.5 Khối công suất..............................................................................60 Hình 4.6 Sơ đồ ghép biến áp với khối công suất.........................................61 Hình 4.7 Khối hiển thị................................................................................61 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch...................................................62 Hình 4.9 Vị trí các linh kiện mạch điều khiển ............................................63 Hình 4.10 Sơ đồ đường mạch in mạch điều khiển......................................64 Hình 4.11 Vị trí các linh kiên mạch công suất............................................65 Hình 4.12 Sơ đồ đường mạch in mạch công suất........................................65 9 LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ bán dẫn ra đời tương đối muộn so với các ngành khác, nhưng hiện nay ngành công nghệ kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển nhẩy vọt với nhiều thành tựu đáng kể. Cùng với sự ra đời và phát triển ngày càng mạnh của vi mạch tổ hợp, kỹ thuật điện tử, digtal đã và đang có những ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Các thiết bị điện công nghiệp cũng như những thiết bị điện sinh hoạt trong gia đình rất phát triển từ khi công nghệ bán dẫn ra đời. Tất cả các thiết bị này hoạt động được đều phải sử dụng một nguồn năng lượng, đó là điện năng. Trong thực tế hiện nay nhu cầu sử dụng về năng lượng điện thắp sáng và sản xuất ngày càng lớn, nhất là vào giờ cao điểm đã vượt quá khả năng cung cấp và phân phối điện năng của quốc gia, đặc biệt tại các vùng nông thôn, miền núi thì vấn đề cắt điện luôn phiên lại thường xuyên xẩy ra. Để khắc phục vấn đề này, là sinh viên đang học tập và nghiên cứu tại trường, kết hợp với các tài liệu tham khảo, thông qua báo trí, internet về chuyên ngành kỹ thuật điện tử, em muốn đưa những kiến thức đã học vào thực tế để mở rộng vốn kiến thức đã có đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng của ngành công nghệ kỹ thuật điện tử trong đời sống. Với lý do trên em đã nghiên cứu đề tài với nội dung “Thiết kế và thi công bộ nghịch lưu từ 12VDC sang 220VAC/500W”. Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của cô Nguyễn Thị Minh Tâm cùng với sự cố gắng nỗ lực của mình, em đã hoàn thành xong đồ án của mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài của mình được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Yêu cầu và mục tiêu của đề tài  Nắm được một cách tổng quan công nghệ nghịch lưu.  Tìm hiểu về cấu trúc và lập trình cho bộ vi điều khiển Atmega 16L.  Nắm chắc cách sử dụng và điều khiển các linh kiện công suất.  Tìm hiểu về các mạch nghịch lưu, hiểu được nguyên lý làm việc của mạch nghịch lưu, các phương pháp biến đổi từ đó lựa chọn một phương án tối ưu nhất để có áp dụng trên đồ án của mình và ngoài thực tiễn.  Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo bộ nghịch lưu điện áp một pha với công suất cho trước.  Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của bộ nghịch lưu một pha.  Phân tích nguyên lý làm việc và tính toán các thông số trong bộ nghịch lưu một pha.  Thiết kế, chế tạo bộ 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=500W.  Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Để giúp sinh viên có thể có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên nghành cũng như kiến thức ngoài thực tế. Đề tài còn thiết kế chế tạo mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện tử tham khảo. Tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các học sinh, sinh viên khoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập. Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúp em có thể hiểu sâu hơn về các bộ nghịch lưu, các phương pháp biến đổi 11 điện áp. Từ đó sẽ tích luỹ được kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thực tế 1.2 Giới thiệu thiết bị chuyển đổi điện áp Thiết bị chuyển đổi điện áp là một thiết bị biến năng. Nó cho phép chuyển đổi năng lượng điện dưới các mức điện áp khác nhau với biên độ và tần số theo yêu cầu. Các phương pháp chuyển đổi điện áp thông dụng hiện nay:  Chuyển đổi AC – AC  Chuyển đổi AC – DC  Chuyển đổi DC – DC 1.3 Chuyển đổi AC – AC Là phương pháp chuyển đổi thông dụng thường gặp trong đời sống hằng ngày. Thiết bị đặc trưng cho phương pháp này là máy biến áp. Hiệu suất của máy biến áp thường là rất lớn trên 90%. Máy biến áp hay máy biến thế có thể chuyển đổi hiệu điện thế đúng với giá trị mong muốn, ví dụ từ đường dây trung thế 10 kV sang mức hạ thế 230 V hay 400 V dùng trong nhà máy. Tại các nhà máy điện, máy biến thế thường chuyển hiệu điện thế mức trung thế từ máy phát điện (10 kV đến 50 kV) sang mức cao thế (110 kV đến 500 kV hay cao hơn) cho đường dây điện cao thế. Trong truyền tải điện năng với khoảng cách xa, hiệu điện thế càng cao thì hao hụt càng ít. Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để ổn định điện áp trong nhà, hay các cục biến thế, cục xạc, ... dùng cho các thiết bị điện với hiệu điện thế nhỏ (230 V sang 24 V, 12 V, 3 V, ...). 1.3.1 Giới thiệu về máy biến áp Máy biến áp hay máy biến thế là thiết bị điện gồm hai hoặc nhiều cuộn dây, hay 1 cuộn dây có đầu vào và đầu ra trong cùng 1 từ trường. Cấu tạo cơ 12 bản của máy biến áp thường là 2 hay nhiều cuộn dây đồng cách điện được quấn trên cùng 1 lõi sắt hay sắt từ ferit. Máy biến áp có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng áp hoặc hạ áp, đầu ra cho những cấp điện áp tương ứng với nhu cầu sử dụng. Máy biến áp đóng vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng. Hình 2.1 mô tả cấu tạo của máy biến áp. Hình 1.1 Cấu tạo của máy biến áp. Dây quấn: thường được chế tạo bằng đây đồng hoặc dây nhôm, tiết diện của dây dẫn thường là hình tròn hoặc hình chữ nhật bên ngoài có bọc lớp cách điện. Dây quấn của biến áp thường chia làm 2 cuận đó là cuận dây sơ cấp và cuận dây thứ cấp. Lõi dùng làm dẫn từ thông trong máy biến áp, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt thường là lá thép kỹ thuật điện (biến áp thường) hoặc lõi sắt bụi ferit (biến áp xung). Với biến áp thường lõi là những lá thép mỏng ghép lại với nhau (có cách Điện) để tránh dòng phuco. 1.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp Máy biến áp hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:  Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường.  Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện). Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra 13 trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp được thể hiện trong hình 1.2. Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt. Hình 1.2 Hoạt động máy biến áp Định luật Faraday ta có: Up = NP và US = NS Nếu ΦS = ΦP thì = , ngoài ra = Vậy = = (máy biến thế lý tưởng). Trong đó: NP, NN : Số vòng dây cuận sơ cấp và thứ cấp. UP, UN : Hiệu điện thế cuận sơ cấp và thứ cấp. IP, IN : Dòng điện cuận dây sơ cấp và thứ cấp. ΦP, ΦS : Từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp. Ta thấy tỉ số dòng điện cuận sơ cấp và dòng điện cuận thứ cấp tỉ lệ nghịch đảo của điện áp cuận thứ sơ cấp và cuận thứ cấp. Nên một biến áp tăng áp thì chính là một biến áp hạ dòng. Hiệu suất của máy biến áp: Các biến áp thực hầu hết đều có tổn thất nên người ta đưa thông số hiệu suất của máy biến áp. Hiệu suất của máy biến áp là hiệu suất của công suất đầu ra so với công suất đầu vào tính theo % ή = * 100% = * 100% Trong đó: P1 : Công suất đưa vào cuận sơ cấp P2 : Công suất đưa vào cuận thứ cấp 14 Ploss : Công suất điện mất mát do tổn thất của lõi và tổn thất của dây đồng Muốn giảm tổn hao năng lượng trong máy biến áp người ta dùng loại lõi làm từ các lá từ mỏng cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn. 1.4 Chuyển đổi AC – DC Là phương pháp chuyển đổi từ nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều. Thực chất đó là những mạch chỉnh lưu. Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu có thể là các điode bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác. Khi chỉ dùng một điode đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cách khóa không cho phần dương hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện thì mạch chỉnh lưu được gọi là chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng. Trong các bộ nguồn một chiều người ta hay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều điode (2 hoặc 4 diode) với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơn trường hợp sử dụng một điode riêng lẻ. Trước khi các điode bán dẫn phát triển, người ta còn dùng các mạch chỉnh lưu sử dụng đèn điện từ chân không, đèn chỉnh lưu thủy ngân, các dãy bán dẫn đa tinh thể seleni. 1.4.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Một mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ chỉ cho một trong hai nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua điode, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điode. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có hiệu suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có thể lắp bằng chỉ một điode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha. Hình 1.3 là mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ. 15 Hình 1.3 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 1.4.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều, do đó nó có hiệu suất cao hơn. Nếu máy biến áp không có điểm giữa người ta sẽ cần đến 4 điode thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ. Các điode dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu. Hình 1.4 là chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng cầu chỉnh lưu. Hình 1.4 Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng cầu chỉnh lưu Nếu dùng biến áp có điểm giữa chỉ cần 2 điode nối đấu lưng với nhau (nghĩa là anode-với-anode hoặc cathode-với-cathode)có thể thành một mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ được thể hiện hình 1.5. Hình 1.5 Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa 16 1.5 Chuyển đổi DC-DC Là phương pháp chuyển đổi từ nguồn điện một chiều thành các nguồn một chiều khác có giá trị điện áp khác nhau. Phương pháp chuyển đổi DC DC rất là quan trọng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại, laptop. Các thiết bị này được cung cấp nguồn điện chủ yếu từ pin hoặc ắc quy. Thiết bị điện tử như vậy thường có cấu tạo gồm nhiều những vi mạch nhỏ, mỗi vi mạch nhỏ thực hiện các chức năng khác nhau và sử dụng các nguồn điện khác nhau được cung cấp bởi pin hoặc ắc quy. Như vậy để đảm bảo nhu cầu về các nguồn điện khác nhau trong thiết bị cần sử dụng nhiều pin hoặc nhiều cấp ắc quy. Để đáp ứng nhu cầu về nguồn cung cấp cho thiết bị phương pháp chuyển đổi DC – DC sẽ đáp ứng được những yêu cầu đó. Phương pháp DC – DC có khả năng từ một nguồn một chiều có thể tạo ra nhiều nguồn một chiều khác có điện áp lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ban đầu của pin hoặc ắc quy, tiết kiệm được không gian và chi phí do không phải sử dụng nhiều pin. 17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NGHỊCH LƯU 2.1 Tổng quan về hệ thống nghịch lưu Trong công nghiệp, chúng ta thường gặp vấn đề biến đổi điện một chiều thành điện xoay chiều và ngược lại bằng các thiết bị nắn điện. Chẳng hạn việc chuyển tải công suất đi xa người ta dùng dòng điện một chiều hợp lí hơn trong khi đó công nghiệp chủ yếu sản xuất và tiêu thụ điện xoay chiều. Do đó người ta thường phải mắc các thiết bị biến đổi ở hai đầu dây chuyển tải để thực hiện hai quá trình biến đổi ngược nhau ở hai đầu. Bộ biến đổi ở hai đầu nhà máy điện làm việc ở chế độ nắn điện tức là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều đưa lên đường dây, còn bộ biến đổi ở đầu tải làm việc ở chế độ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cung cấp cho các tải. Như vậy, nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều. Các sơ đồ nghịch lưu có thể chia làm hai loại: sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều và sơ đồ nghịch lưu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn điện độc lập như ắc quy, máy nổ). 2.2 Nghịch lưu phụ thuộc Nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc, tần số và điện áp nghịch lưu phụ thuộc vào tần số và điện áp lưới điện xoay chiều. Do đó vấn đề đặt ra là nếu mất điện lưới thì các thiết bị cũng bị mất nguồn cung cấp nên nghịch lưu làm việc ở chế độ phụ thuộc được ứng dụng trong truyền tải mà không được ứng dụng làm nguồn dự phòng. 2.3 Nghịch lưu độc lập Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành điện áp xoay chiều với tần số và biên độ tuỳ ý. Sơ đồ nghịch lưu độc lập được chia làm hai loại cơ bản: 18  Nghịch lưu song song và nối tiếp  Nghich lưu nguồn dòng và nguồn áp 2.3.1 Nghịch lưu song song và nối tiếp Là các dạng nghịch lưu sử dụng SCR cho đóng ngắt, và có sử dụng tụ điện ở mạch tải để đảm bảo chuyển mạch. Trong mạch điện gồm R tải, Tự cảm L và điện dung C tại thành mạch cộng hưởng RLC, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt. a. Nghịch lưu song song Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu song song Hình 2.2 Dạng sóng nghịch lưu song song Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ nguyên lý hình 2.1 được vẽ trên hình 2.2. Các SCR1 và SCR4 có cùng dạng xung kích cũng như SCR2 và SCR3. Khi SCR 1 và SCR4 dẫn điện, tụ điện C được nạp đến điện áp có cực tính như trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm vào SCR1 và SCR4, làm tắt chúng khi ta kích SCR2 và SCR3. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu 19 chỉnh lưu, làm cho dòng điện cung cấp vào cầu chỉnh lưu không thay đổi tức thời, tránh khả năng chập mạch tạm thời qua SCR1 và SCR2 (hay SCR3 và SCR4) khi các SCR chuyển mạch. Do có tự cảm ở giữa bộ nghịch lưu và nguồn nên trị số và điện áp ngõ ra thay đổi theo đặt tính tải. Trên hình 3.3b áp ra không còn dạng xung vuông và có thể gần giống hình sin khi tải có tự cảm (tải RL). b. Nghịch lưu nối tiếp Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nối tiếp Hình 2.4 Dạng song nghịch lưu nối tiếp Mạch điện hình 2.3 là dạng đơn giản nhất của mạch nghịch lưu nối tiếp, có mạch tương đương là LCR nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ như khi SCR 1 được kích, dòng qua mạch sẽ về không khi áp trên tụ điệ đạt giá trị cực đại ( có dấu như mạch điện) và SCR sẽ tự tắt. Vì thế mạch còn gọi là mạch nghịch lưu chuyển mạch tải. Khi SCR2 được kích tụ điện sẽ phóng qua nó và dòng về không, khi áp trên tụ đảo cực tính chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp – dạng sóng 20 hình 2.4. Hai mạch nghịch lưu này được dùng làm mạch nguồn trung hay cao tần. Và như vậy ngoài nhiệm vụ tắt ( chuyển mạch) SCR, các tụ điện trong hai mạch nghịch lưu này còn là một phần của tải, góp phần vào việc cải thiện hệ số công suất của mạch. 2.3.2 Nghịch lưu dòng và nguồn áp a. Nghịch lưu nguồn dòng: Là mạch nghịch lưu có tự cảm L bằng vô cùng ở ngõ vào, làm cho tổng trở của mạch nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng. Hình 2.5 trình bầy sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghịch lưu nguồn dòng một pha RL. Dòng nguồn iN phẳng không đổi ở một giá trị tải được đóng cắt thành dòng AC cung cấp cho tải. S1, S4 đóng: i 0 > 0; S2, S3 đóng: i 0 < 0. Vậy tải nhận được dòng điện AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải. Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghich lưu nguồn dòng b. Nghịch lưu nguồn áp: Đặc trưng của nghịch lưu nguồn áp là có tổng trở trong bằng không để có thể cung cấp hay nhận dòng tải. Một đặc trưng khác là ngắt điện luôn có điode song song ngược để năng lượng từ tải có thể tự do trả về nguồn. Hình 2.6 là sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghịch lưu nguồn áp. Áp nguồn một chiều được đóng cắt thành những xung áp hình vuông có biên độ chính xác để cung cấp cho tải.