THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI DCDC BOOST KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN w& KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BOOST SINH VIÊN MSSV VŨ CẢNH CHÂU 14140721 ĐỖ VĂN LINH 14051761 PHẠM TRUNG HIẾU 14124011 HOÀNG TRÚC TÂN 14054911 LỚP : DHDKTD10C GVHD KHANH : THS.PHẠM QUỐC TP HCM, NĂM 2018 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài (1): Đỗ Văn Linh MSSV : 14051761 MSS 14054911 (2): Hoàng Trúc Tân V: MSS 14140721 (3): Vũ Cảnh Châu V: MSS 14124011 (4): Phạm Trung Hiếu V: Tên đề tài THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BOOST Nội dung Nghiên cứu chuyển đổi DC/DC boost Thiết kế chuyển đổi DC/DC boost Thi cơng mơ hình Kết Hồn thành mơ hình chuyển đổi DC/DC BOOST Tp HCM, ngày tháng năm 2018 Tp HCM, ngày tháng năm 2018 Giảng viên hướng dẫn Sinh viên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 30 Thí nghiệm cảm kháng cuộn dây với dịng điện xoay chiều28 Hình 64 Dạng sóng từ cuộn dây qua MOSFET D = 0.2Error! Bookmark not defined Hình 65 Dạng sóng từ cuộn dây qua MOSFET D = 0.8Error! Bookmark not defined Hình 66 Dạng sóng từ Mosfet qua diode D = 0.2Error! Bookmark not defined Hình 67 Dạng sóng từ Mosfet qua diode D = 0.8Error! defined Bookmark not Hình 68 Dạng sóng qua chân S Mosfet đo từ chân D = 0.2 Error! Bookmark not defined Hình 69 Dạng sóng qua chân S Mosfet đo từ chân D = 0.8 Error! Bookmark not defined Khóa luận tốt nghiệp GVHD : Ths.Phạm Quốc Khanh CHƯƠNG GIỚI THIỆU • 1.1 Lí lựa chọn đề tài Các nguồn thành phần thiếu tất hệ thống máy móc cơng nghệ, trái tim hệ thống điều khiển hệ thống truyền động nhà máy, xí nghiệp Nguồn điện nguồn chiều (DC) có nhiệm vụ cung cấp lượng cho toàn phần điều khiển, board mạch chủ thiết bị ngoại vi hệ thống điều khiển Hiện nay, với cơng nghệ ngày đại thiết bị ngày nhỏ gọn hơn, mạnh mẽ hơn, hiệu suất cao dễ bị tổn thương trước tác động sốc điện Do đó, nguồn ngày phải có chất lượng cao với khả đáp ứng nhanh với thay đổi điều kiện làm việc hệ thống điều khiển Với tiến công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, khóa chuyển mạch bán dẫn mạch điều khiển chúng ngày nâng cấp cập nhật tính nỗ lực nâng cao hiệu suất chất lượng nguồn Vấn đề thiết kế nguồn với chất lượng cao yêu cầu cấp thiết việc làm liên tục để nhanh chóng nắm bắt áp dụng công nghệ vào thực tế sản xuất, tiến tới nâng cao chất lượng hiệu cơng việc Ngồi ra, lĩnh vực giáo dục, việc cập nhật thiết bị, công nghệ vào giảng dạy lý thuyết v thực hành giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu tích cực học tập nghiên cứu khoa học Do đó, việc thiết kế thi cơng mơ hình thực hành DC/DC boost có tính cấp thiết nhằm nâng cao chất lượng dạy học đặc biệt môn điện tử cơng suất Mơ hình làm cho giảng thực hành thêm gần với thực tiễn sản xuất ngồi xã hội Do hạn chế trình độ ngoại ngữ, tài liệu tham khảo với thời gian chưa nhiều nên đồ án cịn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Chúng em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khun hữu ích từ thầy bạn để thấy rõ điều cần sửa phải bổ xung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt kết tốt Khóa luận tốt nghiệp GVHD : Ths.Phạm Quốc Khanh 1.2 Mục tiêu nội dung đề tài 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu chuyên sâu nguyên lý, cấu tạo vận hành mạch chuyển đổi DC/DC boost Nghiên cứu cách thức điều khiển mạch DC/DC boost theo nguyên tắc điều khiển dựa xử lý tín hiệu số (DSP) 1.2.1 Mục tiêu cụ thể Thi công mô hình chuyển đổi DC/DC boost với u cầu cơng suất ngõ 100W Mơ hình có điện áp 100 V điều chỉnh Mơ hình có khả cho phép lựa chọn chế độ điều khiển theo phương pháp điều khiển dòng điện điều khiển điện áp 1.2.2 Nội dung 1.2.2.1 Nghiên cứu chuyển đổi DC/DC boost: Nghiên cứu nguyên tắc hoạt động chuyển đổi DC/DC boost Phân tích nguyên lý hoạt động điều khiển chuyển đổi DC/DC boost thương mại Liệt kê tiêu chuẩn đánh giá cụ thể cần phải đạt thi công chuyển đổi DC/DC boost 1.2.2.2 Thiết kế chuyển đổi DC/DC boost Đề xuất chức cần đạt mơ hình thực hành điện tử cơng suất phần mạch boost cần phải có Dựa chức đề xuất, phân tích đánh giá đề xuất cấu hình mạch điện thực mạch Tổng hợp, hiệu chỉnh mạch ngun lý thống mơ hình trước thực phần thi công mạch Mô phần mềm psim đánh giá hiệu khả thi công mạch 1.2.2.3 Thi cơng mơ hình Vẽ mạch in cho mạch đề xuất Mua gắn linh kiện cho chuyển đổi DC/DC boost Khóa luận tốt nghiệp GVHD : Ths.Phạm Quốc Khanh Kiểm tra, hiệu chỉnh thơng số mạch Đóng gói thành sản phẩm hồn chỉnh theo dạng module thực hành 1.3 Phương pháp thực Bước : Đọc nghiên cứu đề tài giao Bước : Lên ý tưởng cho đề tài Bước : Ứng dụng sở lý thuyết vào đề tài Bất kỳ đề tài nghiên cứu cần có sở lý thuyết làm tảng cho nghiên cứu Để xây dựng sở lý thuyết phải trải qua trình thu thập nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài giao Bước : Tiến hành mô Mathlab kết hợp với cắm Board chạy thử Bước : Vẽ mạch phần mềm Altium Designer tiến hành thi công mạch thực tế Bước : Thiết kế phần cứng dùng phần mềm Auto CAD 2007 kết hợp với việc lựa chọn thiết bị Bước : Tiến hành hoàn thiện phần cứng phần mềm 1.4 Tiến trình thực 1.5 Ý nghĩa thực tế đề tài Bảng 1 Tiến trình thực T T Thời gian (Tháng) Công việc 1 Nội dung 1: Nghiên cứu chuyển đổi DC/DC boost Nội dung 2: Thiết kế chuyển đổi DC/DC boost _ _ Nội dung 3: Thi cơng mơ hình _ Sản phẩm sử dụng làm mơ hình dạy học môn điện tử công suất cho sinh viên đại học cao đẳng phòng thực hành điện tử công suất X5.13 Tài đề vấn liệu lựa thiết chọnkế linh có tế thể kiện, thiết dùng kếlàm thitài công liệu mạch tham điện khảo tử công suất thực CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu mạch BOOST 2.1.1 Boost Converter ? Boost Converter biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Nó chứa hai chuyển mạch bán dẫn ( diode mosfet ) phần tử tích lũy lượng, tụ điện, cuộn dây hai 2.1.2 Nguyên lí hoạt động Khi khóa đóng, dịng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ cuộn dây tích trữ lượng Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương Khi khóa mở, dịng điện bị giảm Tuy nhiên dịng điện sụt giảm chống lại cuộn dây Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm) Kết ta có hai nguồn điện nạp lượng cho tụ thông qua Diode D Nếu khóa hồn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ khơng tích điện đầy trạng thái tích điện tải sẻ có điện áp lớn đầu vào khóa mở Khi khóa mở, tụ nối song song tải tích điện tới điện áp tương ứng Khi khóa đóng phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp lượng cho tải trình này, diode khó ngăn tụ xả điện tích qua khóa Khóa phải mở đủ để chống lại tụ xả điện Nguyên lý Boost converter trình bày hình : - Trạng thái On, khóa S đóng, làm tăng dịng điện cảm - Trạng thái Off, khóa mở dòng điện cảm chạy qua diode D, tụ C tải R Kết chuyển lượng tích lũy trạng thái On vào tụ 2.1.2.1 Chế độ hoạt động liên tục : Hình 2 Boost converter hoạt động chế độ liên tục Khi Boost converter hoạt động chế độ liên tục, dòng chạy qua cuộn dây (I L) không Điện áp đầu tính bên trường hợp chuyển đổi lý tưởng (sử dụng thành phần lý tưởng) hoạt động với điều kiện ổn định Trong suốt trạng thái On, khóa S đóng, khiến điện áp đầu vào V S đặt lên cuộn dây, tạo thay đổi dòng IL xuyên qua cuộn dây chu kỳ công thức: ẠỊL _ N At L Kết thúc trạng On Dòng IL tăng sau: AT AILon rDT xr _Ị DT xr =ỵí K^ t — — Vi D chu kỳ suất Nó trình bày phân số chu kỳ T khóa chế độ On Vì D nằm (S không mở S mở) Trong trạng thái Off, khóa S mở, dịng cuộn dây chạy qua tải Nếu điện áp zero • Dạng sóng qua tải : Hình 48 Dạng sóng ngõ tải Dạng sóng điện áp qua tải cho ta biết điện áp ngõ BOOST , ứng với f = 50KHz , D = 0.5 điện áp ngõ khoảng 25V Tại f = 10 kHz , D = 0.2 : • Dạng sóng xung kích IR2011 : Hình 49 Dạng sóng xung kích IR2011 Tín hiệu xung vng có tần số f = 10 kHz lấy từ Board Ardruino Nano V3 qua Drive (IR2011) cấp cho MOSFET (IRF540) để điều khiển đóng mở khóa K khối cơng suất Tín hiệu có tần số (Frenquency) điều chỉnh từ 10 kHz - 50 kHz độ rộng xung (Duty Cycle) điều chỉnh từ 0.2 - 0.8 Và hình 3.34 dạng sóng kích có f = 10 kHz D = 0.2 điện áp xung đỉnh max 12V • Dạng sóng điện áp cuộn dây L : Hình 50 Dạng sóng điện áp cuộn dây L Dạng sóng biểu diễn nguồn áp qua cuộn dây chu kỳ , độ rộng xung D = 0.2 dạng sóng có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp đầu cuộn dây điện áp nguồn V = V = 12V - Trạng thái thứ khóa K mở (t = T(1-D)) : thời gian khóa K mở điện áp đầu cuộn dây - Trạng thái : khoảng thời gian cịn lại khóa K mở điện áp cuộn dây phân cực ngược có dịng điện qua cuộn dây cuộn dây xuất từ thơng từ sinh sức điện động cảm ứng chống lại nguồn sinh nên cuộn dây phân cực ngược - Quá trình lặp lặp lại liên tục chu kì • Dạng sóng điện áp qua MOSFET (IRF540) : Hình 51 Dạng sóng điện áp IRF540 Dạng sóng biểu diễn nguồn áp qua MOSFET chu kỳ , độ rộng xung D = 0.2 dạng sóng có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp đầu cuộn dây - Trạng thái thứ khóa K mở (t = T(1-D)) : thời gian khóa K mở điện áp đầu MOSFET (IRF540) tầm 7V - Trạng thái : khoảng thời gian lại khóa K mở điện áp MOSFET (IRF540) điện áp nguồn lúc dịng cuộn dây xã hết nên dòng qua cuộn dây dòng đầu nguồn nên MOSFET (IRF540) áp nguồn 12 V - Quá trình lặp lặp lại liên tục chu kì • Dạng sóng điện áp qua Diode : Hình 52 Dạng sóng điện áp Diode Dạng sóng biểu diễn nguồn áp qua Diode chu kỳ , tần số f=10KHz độ rộng xung D = 0.2 dạng sóng có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp đầu Diode phân cực ngược -17V - Trạng thái thứ khóa K mở (t = T(1-D)) : thời gian khóa K mở điện áp đầu Diode tầm - 7V - Trạng thái : khoảng thời gian cịn lại khóa K mở điện áp đầu Diode 0V - Quá trình lặp lặp lại liên tục chu kì • Dạng sóng điện áp qua tải : DSO-X 2OI4Ạ MY5620 I656 Thu Jun 14 21:55:27 2018 Hình 53 Dạng sóng ngõ tải Dạng sóng điện áp qua tải cho ta biết điện áp ngõ BOOST , ứng với f = 10KHz , D = 0.2 điện áp ngõ khoảng 17V Tại f = 10 kHz , D = 0.8 : • Dạng sóng xung kích Drive (IR2011) : Hình 54 Dạng sóng xung kích Drive Tín hiệu xung vng có tần số f = 10 kHz lấy từ Board Ardruino Nano V3 qua Drive (IR2011) cấp cho MOSFET (IRF540) để điều khiển đóng mở khóa K khối cơng suất Tín hiệu có tần số (Frenquency) điều chỉnh từ 10 kHz - 50 kHz độ rộng xung (Duty Cycle) điều chỉnh từ 0.2 - 0.8 Và hình 3.49 dạng sóng kích có f = 10 kHz D = 0.8 điện áp xung đỉnh max 12V • Dạng sóng điện áp cn dây L : Hình 55 Dạng sóng điện áp cn dây L Dạng sóng biểu diễn nguồn áp qua cuộn dây chu kỳ , độ rộng xung D = 0.8 dạng sóng có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp đầu cuộn dây điện áp nguồn VS = VL = 12V - Trạng thái thứ hai khóa K mở ( t = T(1-D) ) điện áp qua cuộn dây phân cực ngược có dịng điện qua cuộn dây thay đổi đột ngột cuộn dây sinh suất điện động cảm ứng chống lại biến thiên từ thơng sinh • Dạng sóng điện áp MOSFET IRF540 : Hình 56 Dạng sóng điện áp MOSFET IRF540 Dạng sóng biểu diễn nguồn áp qua MOSFET chu kỳ , độ rộng xung D = 0.8 dạng sóng có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp đầu cuộn dây - Trạng thái thứ khóa K mở (t = T(1-D)) : thời gian khóa K mở điện áp đầu MOSFET (IRF540) tầm 7V - Trạng thái : khoảng thời gian cịn lại khóa K mở điện áp MOSFET (IRF540) điện áp nguồn lúc dòng cuộn dây xã hết nên dòng qua cuộn dây dòng đầu nguồn nên MOSFET (IRF540) áp nguồn 12 V - Quá trình lặp lặp lại liên tục chu kì • Dạng sóng điện áp Diode : Hình 57 Dạng sóng điện áp Diode Dạng sóng biểu diễn điện áp qua Diode tần số 10 kHz , D = 0.8 Ở dạng sóng Diode có trạng thái : - Trạng thái thứ khóa K đóng (t = DT) : điện áp phân cực ngược dòng xả tụ - Trạng thái thứ hai khóa K mở (t = T(1-D)) điện áp qua tụ • Dạng sóng điện áp tải : Hình 58 Dạng sóng điện áp tải Dạng sóng điện áp qua tải cho ta biết điện áp ngõ BOOST , ứng với f = 10kHz , D = 0.8 điện áp ngõ khoảng 17V 3.9.2 Kiểm tra dòng Để đo dòng phải mắc tải trở nối tiếp với chổ cần đo , mơ hình nhóm mắc trở sứ công suất 0.5 Q /5W để đo dịng : Hình 59 Trở sứ Từ nguồn cấp tới cuộn cảm : - Với f = 50kHz ; D = 0.5 ; I « 3.754 A Hình 60 Dạng sóng từ nguồn cấp tới cuộn cảm D = 0.5 Từ cuộn cảm qua chân D MOSFET : - Với f = 50kHz ; D = 0.5 ; I « A Hình 61 Dạng sóng từ nguồn cấp tới cuộn cảm D = 0.5 Từ cuộn cảm qua chân A Diode : - Với f = 50kHz ; D = 0.5 ; I « 0.7 A Hình 62 Dạng sóng đầu điện trở sau cuộn dây D = 0.5 Từ chân G qua chân S MOSFET : - Với f = 50kHz ; D = 0.5 ; I « 20 A DS0-X2014A, MĨ56201656 Fri Jun 1520:09:51 2018 Hình 63 Dạng sóng đầu điện trở sau cuộn dây D = 0.5 Dạng sóng hai đầu tải : Hình 64 Dạng sóng hai đầu tải D = 0.5 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Từ kết mô Mathlab trùng khớp với lý thuyết gần với thực tế chứng tỏ tính đắn lý thuyết biến đổi điện áp DC-DC BOOST mà nhóm nghiên cứu Trong suốt q trình làm luận văn, việc giải vấn đề nảy sinh, nhóm tổng hợp nhiều kiến thức Trong q trình thực làm luận văn nhóm thu kết sau: Phân tích nguyên lý, đặc tính làm việc biến đổi DC-DC BOOST Tiến hành mô phần mềm Matlap để kiểm nghiệm hoạt động biến đổi Hiểu nguyên lý làm việc linh kiện tụ điện , cuộn cảm , diode Ứng dụng vi điều khiển vào biến đổi DC-DC BOOST (phát xung với tần số cao) Biết cách sử dụng phần mềm Altium Designer vào thiết kế mạch Ứng dụng thành công phần mềm Auto CAD vào thiết kế phần cứng 4.2 Kiến nghị hướng phát triển Xây dựng phát triển thêm DC-DC BUCK kết hợp với DC-DC BOOST trình điều khiển sử dụng phong phú Sử dụng nguồn lượng mặt trời để cấp cho biến đổi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ths.Phạm Quốc Khanh Giáo trình điện tử công suất,DHCN [2] http://arduino.vn/tutorial/1416-avr-xuat-xung-voi-tan-so-va-do-rong-theo-ymuon [3] Techno Trip/ How to design a Boost Converter LINK : https://www.youtube.com/watch?v=CzhqLeyGNf0 [4] https://www.infineon.com/cms/en/product/power/gate-driver-ics/# !products [5] http://www.futureelectronics.com/en/diodes/schottky-diodes.aspx [6] https://vi.scribd.com/document/254598730/B20100G [7] https://vi.wikipedia org/wiki/Tụ_điện ... tài THI? ??T KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC BOOST Nội dung Nghiên cứu chuyển đổi DC/DC boost Thi? ??t kế chuyển đổi DC/DC boost Thi cơng mơ hình Kết Hồn thành mơ hình chuyển đổi DC/DC BOOST. .. động chuyển đổi DC/DC boost Phân tích nguyên lý hoạt động điều khiển chuyển đổi DC/DC boost thương mại Liệt kê tiêu chuẩn đánh giá cụ thể cần phải đạt thi công chuyển đổi DC/DC boost 1.2.2.2 Thi? ??t. .. mơ hình trước thực phần thi công mạch Mô phần mềm psim đánh giá hiệu khả thi công mạch 1.2.2.3 Thi cơng mơ hình Vẽ mạch in cho mạch đề xuất Mua gắn linh kiện cho chuyển đổi DC/DC boost Khóa luận