Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án 1 acquy
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài 1: Thiết kế biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV với yêu cầu sau: Vin = 17 V Vout = 12V ILoad = 2A fsw= 100kHz ( tần số chuyển mạch) Iripple = 0.3 × I Ngành đào tạo : điện – điện tử Mã số ngành : D510301 Họ tên sinh viên : Nguyễn Quang Nhã Giáo viên hướng dẫn đồ án Th.S Mai Văn Duy Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học Ths Mai Văn Duy Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, đồ án cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Kinh Tế Kỹ Thuật - Cơng Nghiệp không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2018 LỜI CẢM ƠN Qua năm học tập rèn luyện trường Trường ĐH Kinh tế kỹ thuật công nghiệp Hà Nội, bảo giảng dạy nhiệt tình q thầy cơ, đặc biệt quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử truyền đạt cho em kiến thức lý thuyết thực hành suốt thời gian học trường Và thời gian học tập trường em có hội áp dụng kiến thức học trường vào thực tế xã hội Cùng với nổ lực thân, em hoàn thành ĐỒ Án Từ kết đạt này, em xin chân thành cám ơn: Quý thầy cô trường Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội, truyền đạt cho em kiến thức bổ ích thời gian qua Đặc biệt, thầy Mai Văn Duy tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt báo cáo Đồ Án Do kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng tránh khỏi thiếu sót cách hiểu, lỗi trình bày Em mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô để báo cáo tốt nghiệp đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! Mục lục LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC ACQUY I GIỚI THIỆU Cấu tạo Các thông số acquy Các loại acquy .10 3.1 Acquy chì axit 10 3.2 Acquy Nickel 12 3.3 Acquy Natri 13 3.4 Acquy Liti 14 II CÔNG NGHỆ SẠC ẮC QUY .15 Phương pháp phóng nạp 15 1.1 Phóng điện ắc quy .15 1.2 Nạp điện ắc quy 15 1.2.1 Nạp với dòng điện không đổi 16 1.2.2 Nạp với dòng điện giảm dần 16 1.2.3 Nạp với điện không đổi 17 Nạp chế độ ổn dòng ổn áp 17 Các chế độ vận hành 17 Chế độ nạp thường xuyên 17 Chế độ phóng nạp xen kẽ 18 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 18 I Mạch Buck ( BXMC nối tiếp ) .19 Nguyên lý hoạt động 19 Tính chọn phần tử mạch lực 20 II Mạch Full brigde (BXMC có đảo chiều phương pháp đối xứng ) 24 Nguyên lý hoạt động 24 Tính chọn phần tử mạch lực 30 2.1 Tính chọn MOSFET 32 2.2 Tính chọn DIODE 32 2.3 Tính tốn máy biến áp 32 2.4 Các giá trị điện cảm rò Lleak, Lm 34 2.5 Tính dây dẫn cho máy biến áp 34 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 35 I NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU 35 II ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG XUNG PWM 38 Phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 39 Răng cưa tuyến tính cực tính 40 Tạo cưa tuyến tính hai cực tính 43 Khuếch đại xung (Drive) .45 4.1 Khuếch đại xung điều khiển BT lực 47 4.2 Khuếch đại xung điều khiển bóng MOSFET IGBT lực 50 BXMC không đảo chiều theo phương pháp PWM 56 BXMC có đảo chiều theo phương pháp điều khiển đối xứng 58 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH SẠC ÁCQUI BẰNG PHẦN PSIM VÀ MATLAB 59 I MƠ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU CĨ ĐẢO CHIỀU FULL BRIGDE BẰNG PHẦM MỀM PSIM .60 Mô Kết Quả mạch full bridge 62 Nhận xét: Với Kết thấy .62 II MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU NỐI TIẾP ( BUCK-GIẢM ÁP) 63 Mô Kết Quả mạch Buck .64 Nhận xét: Với Kết thấy .65 CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN .66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .67 I Kết luận: 67 II Kiến nghị: 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN MẠCH LỰC PHẦN MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Một giảm điện áp biến đổi DCDC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào, thường sử dụng hệ thống lượng tái tạo hệ thống quang điện, hệ thống pin nhiên liệu, để tăng điện áp đầu hệ thống lên mức yêu cầu phù hợp Bộ biến đổi DC-DC hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Các biến đổi DC-DC hệ thống lượng lưu trữ giúp cho hệ thống lượng tái taọ khắc phục hạn chế Cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Vì em mơn đồ án giao cho đề tài “Thiết kế biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV” Đồ án em gồm năm chương: Chương 1: Giới thiệu công nghệ sặc ắc quy Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án mạch lực Chương 3: Phân tích lựa chọn mạch điều khiển Chương 4: Mô kiểm chứng mạch sặc acquy phần mềm Psim matlab Chương 5: Đề xuất kiến nghị CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN MẠCH LỰC Bằng cố gắng nỗ lực thân đặc biệt giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy giáo , em hồn thành đồ án thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn cô giáo trưởng khoa T.S Võ Thu Hà thầy giáo Th.S Mai Văn Duy thầy cô giáo ngành Điện - Điện tử trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian qua Hà Nội, ngày 25 tháng 01 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Quang Nhã CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN MẠCH LỰC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC ACQUY I GIỚI THIỆU Cấu tạo Ácquy cấu tạo hay nhiều ngăn acquy nhỏ ghép lại với nhau, ngăn chuyển hóa thành điện Một ngăn gồm cực, cực dương cưc âm nhúng dung dịch điện phân nên có tác dụng cực với dung dich điện phân sinh dịng điện chiều Trong trường hợp acquy sạc, phản ứng hóa học diễn ngược lại cách cho dịng điện vào acquy Accquy chì acid loại acquy phổ biến Các thông số acquy Điện áp: Mỗi ngăn acquy có điện áp nhỏ, ngăn nối nối tiếp với để đưa điện áp yêu cầu acquy xe thường 6V 12V nên ngăn nối với để tạo điện áp Khi dòng điện đưa ra, điện áp giảm xuống, acquy sạc điện áp lại tăng lên Hình 1.1 Mạch tương đương acquy CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN MẠCH LỰC Acquy có suất điện động E cho không đổi, điện áp cực giá trị khác V điện trở acquy Phụ thuộc vào dòng điện I chảy cực acquy Điện áp cực acquy tính sau: V = E – IR Nếu dịng điện I = 0, điện áp hai cực coi E E coi điện áp hở mạch Khi acquy sạc điện áp sạc bị tăng lên bới IR Vì điện trở acquy nhỏ tốt Trong thực tế E số Điện áp bị ảnh hưởng trạng thái sạc nhiều nhân tố khác nhiệt độ Khả tích điện Điện tích mà acquy cung cấp thống số đinh Đơn vị hệ SI coulomb, số điện tích amp chảy qua giây Tuy nhiên đơn vị nhỏ Do amphour sử dụng: 1Ampe chảy qua VD: dung lượng acquy 10Amphours nghĩa cung cấp dịng 1Ampe 10 giờ, 2Ampe giờ, 10Ampe Nhưng thực tế theo thông số 10Amphours, 10Ampe lấy khả phóng acquy khơng q Một ví dụ khác với acquy 100Amphour Dung lượng bị ảnh hưởng điện tích lấy nhanh hay chậm Khi phóng điện hết dung lượng giảm xuống cịn khoảng 70Amphours Mặt khác phóng điện lâu ( khoảng 20 giờ) dung lượng lại lên tới 110Amphours Hiện tương xảy phản ứng không mong muốn ngăn acquy Hiện tượng đễ nhận thấy acquy chì axit, xảy với tất loại acquy Hiệu suất lượng b) Sơ đồ mạch bên c) Đồ thị điện áp Hình 3.22 Half-Bridge Driver IR2103 55 Với van lực công suất lớn đòi hỏi dòng điều khiển mạnh thời gian ngắn, cần thêm tụ trữ lượng mắc sát cạnh Driver nguồn điều khiển không bố trí cạnh Hai ngun tắc lắp ráp cần đảm bảo là: Dây nối với IGBT phải ngắn với tiết diện dây lớn, thực tế cho thấy điện cảm dây dẫn gây nên tượng đột biến áp van khóa Dây nối cho IGBT phải nối rieeng, dây đất, tức không dùng chung với phần mạch khác để tránh ảnh hưởng lẫn đường đất chung Các mạch Driver đơn giản thường làm nhiệm vụ truyền cách ly khuếch đại công suất xung Tuy nhiên để van hoạt động an toàn trường hợp, kể tượng tải, ngắn mạch cần phải có thêm khâu bảo vệ cho thân van BXMC không đảo chiều theo phương pháp PWM Hình 3.31 nguyên lý mạch điều khiển van lực IGBT BXMC không đảo chiều theo phương pháp PWM (độ rộng xung) hệ hở, mạch gồm: Khâu phát xung chủ đạo có tần số không đổi tạo điện áp cưa dạng xung tam giác có dịch điện áp để chuyển từ điện áp hai cực tính thành cực tính lên dùng khuếch đại thuật toán Khâu tạo điện áp điều khiển Khâu so sánh hai cửa OA3, tạo xung PWM 56 Hình 3.31 Sơ đồ điều khiển van lực IGBT băm xung chiều không đảo chiều hệ hở 57 Hình 3.32 Giản đồ điện áp hình 3.31 BXMC có đảo chiều theo phương pháp điều khiển đối xứng Sơ đồ tương đương hình 3.39 Phần lớn khâu chức tương tự hình 3.36 Sự khác biệt thể hai điểm: Mạch khơng có khâu xác định chiều dịng, quy luật điều khiển chung cho hai chiều dòng điện tải Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông hai van thẳng hàng chúng chuyển đổi trạng thái, thực nhờ hai phần tử logic L1, L2 Đồ thị minh họa hoạt động hình 3.37 Ở dùng phương pháp tạo trễ sử dụng phương pháp nạp tụ C thông qua điện trở R để đưa tới cổng vào logic L1 (loại có ngưỡng trigơ Schmitt), thời gian trễ gần 0,7RC Khi điện áp vào không, tụ C phóng tắt qua diode D nên độ trễ khơng đáng kể Thực tế thời gian trễ nằm khoảng (1,3 ữ10)às, tựy loi van lc v tn s lm việc mạch Hình 3.37 Mạch tạo trễ mở 58 Hình 3.39 Sơ đồ điều khiển băm xung chiều đảo chiều, phương pháp điều khiển đối xứng CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH SẠC ÁCQUI BẰNG PHẦN PSIM VÀ MATLAB 59 I MƠ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU CĨ ĐẢO CHIỀU FULL BRIGDE BẰNG PHẦM MỀM PSIM Mạch nguyên lý Đưa nguồn điện áp chiều giá trị không đổi vào so sánh với nguồn xung cưa ta xung vng kích mở MOSFET hình Để điều chỉnh chu kỳ đóng mở MOSFET ta điều chỉnh điện áp so sánh 60 Kết Quảng Mô điện áp so sánh Đưa điện áp so sánh vào chân CLK FlipFlop D để phân phối xung cho mạch cầu H, thay cho Driver TLP 250.Các xung so sánh đưa vào đầu clock D-flip-flop sau AND với Q Q 61 Mô Kết Quả mạch full bridge Ta điện áp dịng điện hình Nhận xét: Với Kết thấy KHI MỚI CẤP NGUỒN THÌ ĐIỆN ÁP TĂNG VỌT TỪ 0-14V THỜI GIAN QUÁ ĐỘ RẤT NGẮN CHƯA ĐẾN 0,0001S 62 Điện áp dao động với biên độ giảm dần đến ổn định giá trị 12V Từ ta thấy giống với giá trị mà đặt từ trước Chứng tỏ hệ thống hoạt động tương đối ổn định đạt tiêu chuẩn đề Dòng điện tương tự giao động với biên độ giảm dần đến ổn định giá trị 2A Lúc bắt đầu hoạt động dịng điện tăng đột biến lên 2.5A (đạt giá trị yêu cầu Iripple=0.3xIl) Nhưng cần phải có thêm thiết bị bảo vệ cho ắc quy trường hợp lúc khởi động có dịng điện lớn , nhiễu mơi trường Do giá trị dịng điện sau ổn định gần giá trị đặt ban đầu 2A nên xem hệ thống vận hành tốt đáp ứng yêu cầu đề II MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU NỐI TIẾP ( BUCK-GIẢM ÁP) Sơ đồ nguyên lý Mạch điều khiển tương đương : 63 Đưa nguồn điện áp chiều giá trị không đổi vào so sánh với nguồn xung cưa ta xung vng kích mở IGBT hình Để điều chỉnh chu kỳ đóng mở IGBT ta điều chỉnh điện áp so sánh Mô Kết Quả mạch Buck Ta điện áp dịng điện hình 64 Nhận xét: Với Kết thấy KHI MỚI CẤP NGUỒN THÌ ĐIỆN ÁP TĂNG VỌT TỪ 0-17V THỜI GIAN QUÁ ĐỘ RẤT NGẮN CHƯA ĐẾN 0,0001S Điện áp dao động với biên độ giảm dần đến ổn định giá trị 12V Từ ta thấy giống với giá trị mà đặt từ trước Chứng tỏ hệ thống hoạt động tương đối ổn định đạt tiêu chuẩn đề Dòng điện tương tự giao động với biên độ giảm dần đến ổn định giá trị 2A Lúc bắt đầu hoạt động dịng điện tăng đột biến lên 5A (Gấp dôi giá trị yêu cầu ) Nên cần phải có thêm thiết bị bảo vệ cho ắc quy trường hợp lúc khởi động có dịng điện lớn Do giá trị dòng điện sau ổn định gần giá trị đặt ban đầu 2A nên xem hệ thống vận hành tốt đáp ứng yêu cầu đề 65 Nhận xét : qua mô ta thấy rõ hai mạch đáp ứng yêu cầu đề tài CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN Vào thập kỷ trở lại đây, nhu cầu sử dải điện áp nhiều lĩnh vực ngày tăng cao Cùng với đó, mục đích sử dụng khác dẫn đến cơng việc làm việc khác Vì vậy, có nhiều loại Bộ biến đổi để phù hợp với yêu cầu sử dụng Để nâng cao hiệu dịng điện chiều cơng nghiệp, xí nghiệp, đáp ứng mong mỏi người sử dụng Việc biến đổi điện áp chiều đời điều tất yếu Do thời gian làm đồ án có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em xin trình bày thêm đề xuất để cải tiến biến đổi làm việc cách tối ưu đạt hiệu cao như: - Sử dụng ổn áp sử dụng nguồn xung LM2596 - Sử dụng nguồn xung DC-DC Buck - Conventer 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu thực đồ án: “Thiết kế biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV với yêu cầu sau: Vin = 17 V Vout = 12V ILoad = 2A fsw= 100kHz ( tần số chuyển mạch) Iripple = 0.3 × I ” Em có số kết luận kiến nghị sau: I Kết luận: Trong trình làm đồ án vừa qua hướng dẫn tận tình thầy giáo Mai Văn Duy, chúng em hoàn thành xong đề tài thiết kế sạc ắc quy dùng biến đổi BUCK –giảm áp full cầu (DC – DC) Quá trình thực đề tài giúp Em thu kết sau: Hiểu cấu tạo ngun lí sạc ắc quy Thơng qua việc thiết kế tìm hiểu rõ biến đổi DC – DC biến đổi Buck,Boost,Buck-Boost biến đổi cầu Thơng qua em có kinh nghiệm việc thiết kế, tính tốn mạch lực thành phần liên 67 quan hoàn thành đề tài khác sau cách nhanh chóng Thơng qua việc mơ mạch lực tìm hiều thêm nhiều phần mềm ứng dụng để mô điện tử công suất proteus, psim, matlap,… Rèn luyện kỹ tư độc lập, sáng tạo kỹ làm việc theo nhóm cho có hiệu Tuy nhiên q trình tính tốn thời gian khả năng, kinh nghiệm cịn hạn chế nên khó tránh khỏi mắc phải thiếu sót Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Mai Văn Duy tận tình tạo điều kiện tốt cho Em hồn thành mơn Đồ án II II Kiến nghị: Bộ băm xung chiều biến đổi có tính thực tiễn cao, để phù hợp với yêu cầu sử dụng có dải điện áp điều chỉnh rộng để phù hợp nhu cầu thị trường Kết hợp với thiết bị tạo nên hệ thống tự động thay cho người, đem lại nhiều lợi ích kinh tế xã hội Sinh viên thực Nguyễn Quang Nhã 68 Tài Liệu Tham Khảo [1] Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện Tử Công Suất – Trường đại học kinh tế -kỹ thuật công nghiệp [2] Hướng Dẫn Thiết Kế Điện Tử Công Suất –Phạm Quốc Hải [3] Giáo Trình Điện Tử Cơng Suất – Lê Văn Doanh ( chủ biên) [4] Một Số Trang web : - thuvienso.uneti.edu.vn - www.dientuvietnam.net - tailieu.vn 69 ...
