Đề tài thiết kế bộ biến đổi dc dc buck để nạpacqui từ pannel pv

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK ĐỂ NẠP ACQUI TỪ PANNEL PV Ngành Đào Tạo: Công Nghệ Kĩ Thuật Điện Tử Tự Động Hóa Giảng Viên Hướng Dẫn : Ths Mai Văn Duy Sinh Viên Thực Hiện : Vũ Tiến Đạt Lớp : DHTD14A2HN MSV : 20104300124 HÀ NỘI-2023 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN DUYỆT …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ĐỀ TÀI: 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 × IL Trình bày cấu trúc mạch lực nguyên tắc phát xung điều khiển Tính chọn giá trị danh định lựa chọn cụ thể (nhà SX, mã sản phẩm) tất phần tử mạch: Van bán dẫn, tụ điện, điện cảm, theo thông số kỹ thuật yêu cầu Xây dựng chương trình mơ biến đổi kiểm chứng thiết kế Chương Tổng quan biến đổi DC – DC cơng nghệ sạc ắc quy Chương Phân tích chọn phân tích mạch lực + Cấu trúc mạch lực + Thiết kế, tính tốn lựa chọn phần tử mạch lực Chương Chọn phân tích mạch điều khiển + Cấu trúc mạch điều khiển + Thiết kế, tính tốn lựa chọn phần tử mạch điều khiển Chương Mô mạch động lực mạch điều khiển (trên phần mềm Matlab, Psim, Proteus…) LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất môn quan trọng ngành Điện đóng vai trị quan trọng sinh viên kĩ thuật Nói đến Điện tử cơng suất, khơng thể khơng nói đến việc điều khiển điện áp cấp cho sợi đốt lò điện trở - nhiệm vụ quan trọng cơng nghiệp Có nhiều loại lò lò điện trở, lò hồ quang với loại lị có phương pháp điều khiển khác Lò điện thiết bị phổ biến dùng để biến đổi điện thành nhiệt Nhu cầu sử dụng nhiệt đời sống sản xuất lớn Trong đời sống dùng để nấu nướng, sưởi ấm Trong công nghiệp, nhiệt chuyển đổi từ điện dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy chất… Bất kì đâu ta thấy lò điện sử dụng quanh Cùng với phát triển kinh tế khoa học kĩ thuật đường cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước ngành điện - điện tử nói chung, hay điện tử cơng suất nói riêng có bước tiến vượt bậc mang lại thành đáng kể Trong chương trình đào tạo có điện tử cơng suất phần hay lí thú, hút nhiều sinh viên theo đuổi nghiên cứu tìm hiểu Là sinh viên chuyên ngành điện - điện tử, chúng em muốn tiếp cận hiểu sâu mơn điện tử cơng suất Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sản phẩm điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng lí thuyết học Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em nhận đề tài: “THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK ĐỂ NẠP ACQIU TỪ PANEL PV ” Nhận thức tầm quan trọng chúng em vận dụng kiến thức có sẵn thân, tìm hiều mạng… đặc biệt hướng dẫn thầy cô để hoàn thành đồ án LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Mai Văn Duy giảng viên khoa điện trang bị giúp em kỹ kiến thức cần thiết để hoàn thành đồ án Cùng với nỗ lực thân, hỗ trợ bạn bè lớp, đặc biệt với hướng dẫn tận tình thầy giáo Mai Văn Duy chúng em hoàn thành cách tương đối tốt yêu cầu mà đề tài đặt Tuy nhiên, trình làm đồ án kiến thức chuyên ngành em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi vài thiếu sót trình bày đánh giá vấn đề Rất mong nhận góp ý, đánh giá thầy cô môn để đề tài em thêm hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo thuộc môn “Điện tử công suất, Truyền động điện’’ giúp đỡ chúng em tận tình bảo chúng em để hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học Ths Mai Văn Duy Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công 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 tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Kinh Tế Kỹ Thuật - Công Nghiệp không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây q trình thực (nếu có) Hà Nội, Tháng 6, Năm 2023 Sinh viên thực Đạt Vũ Tiến Đạt Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU LỜI CAM ĐOAN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC ACQUY VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK 12 I GIỚI THIỆU .12 Cấu tạo 12 2.Các thông số acquy 12 Các loại acquy 14 II CÔNG NGHỆ SẠC ẮC QUY 17 Phương pháp phóng nạp 17 Nạp chế độ ổn dòng ổn áp .19 Các chế độ vận hành .19 Chế độ nạp thường xuyên .19 Chế độ phóng nạp xen kẽ 20 Giới thiệu biến đổi DC-DC buck 20 Phân loại biến đổi DC-DC 20 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 24 I Mạch Buck (BXMC nối tiếp) .25 Nguyên lý hoạt động .25 Tính chọn phần tử mạch lực .26 II Mạch Full brigde (BXMC có đảo chiều phương pháp đối xứng) .30 Nguyên lý hoạt động 30 2.Tính chọn phần tử ML 34 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39 I NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU 39 II ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG XUNG PWM41 Phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 42 Răng cưa tuyến tính cực tính 42 Tạo cưa tuyến tính hai cực tính .45 Khuếch đại xung (Drive) 46 BXMC không đảo chiều theo phương pháp PWM 55 BXMC có đảo chiều theo phương pháp điều khiển đối xứng 56 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH SẠC ÁCQUI BẰNG PHẦN PSIM VÀ MATLAB 58 I MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU FULL BRIGDE BẰNG PHẦM MỀM PSIM 58 Mô Kết Quả mạch full bridge .60 Nhận xét: Với kết mô mạch full bridge 60 II MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU NỐI TIẾP (BUCK-GIẢM ÁP)61 Mô Kết Quả mạch Buck .62 Nhận xét: Với kết mô mạch buck 63 KẾT LUẬN 64 Tài Liệu Tham Khảo 65 Danh sách Hình ản Hình 1 Mạch tương đương ắc quy .11 Hình Phản ứng cực ắc quy 13 Hình Bộ biến đổi DC-DC hai chiều 20 Hình Sơ đồ mạch Buck 20 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch Buck (BXMC nối tiếp) 22 Hình 2 Sơ đồ thay Tr dẫn .23 Hình Sơ đồ thay Tr khóa 23 Hình Thông số điều chỉnh D 24 Hình Thơng số cuộn cảm L 25 Hình Thơng số tụ lọc đầu 26 Hình Thơng số điện trở 26 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch MXMC có đảo chiều .27 Hình Sơ đồ thay máy biến áp 34 Hình Nguyên lý băm xung chiều (BXMC) 36 Hình Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung chiều kiểu PWM .38 Hình 3 Sơ đồ tạo điện áp cưa tuyến tính lên OA 39 Hình Tạo dao động Time 555 ghép với mạch cưa dùng transistor 41 Hình Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính 42 Hình Cấu trúc khối khuếch đại xung 43 Hình Một số mạch phối hợp xung 44 Hình Sơ đồ khối Driver M57916 45 Hình Sơ đồ nguyên lý Driver M57916 45 Hình 10 Ví dụ sử dụng Driver M57916 khuếch đại BT 46 Hình 11 Các điện trở hạn chế dòng điều khiển 47 10 Hình 11 Các điện trở hạn chế dịng điều khiển Vì tùy vào trường hợp cụ thể mà dùng sơ đồ hình 3.11 Điện áp cực Gate khơng phép vượt 20V, cần thiết phải dùng biện pháp bảo vệ dùng diode tụ hay cụm hai diode ổn áp đấu đối đầu mắc song song với cực GE hình 3.11c Do tính ưu việt MOSFET IGBT nên chúng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điện tử cơng suất Cũng hãng chế tạo nhiều loại mạch điều khiển (Driver) cho van Hình 3.12 sơ đồ nguyên lý drive TLP250, với nguồn điềukhiển (10÷30)V, dịng ±1,5A, loại sử dụng khuếch đại xung điều khiển IGBT loại đến 50A Hình 12 Khuếch đại xung cho IGBT sử dụng Driver TLP250 Drive khuếch đại với dòng lớn Driver TLP251 (khuếch đại xung điều khiển IGBT loại đến 400A), Drive HCPL-3120, … Drive HCPL-3120có sơ đồ nguyên lý hình 3.13 a) Sử dụng nguồn đơn cực cấp cho Driver 52 b) sử dụng nguồn lưỡng cực cấp cho Driver Hình 13 Khuếch đại xung cho IGBT sử dụng Driver HCPL-3120 Ngồi có Driver chun dùng cho mạch băm xung đảo chiều (nửa cầu) IR2101, IR2102, IR2103, IR2113, … Driver IR2103 có tham số hình 3.21 Trên hình 3.14a sơ đồ đấu nối Driver IR2103, cịn hình 3.14b sơ đồ khối mạch bên đồ thị minh họa nguyên ký hoạt động hình 3.14c 53 a) Sơ đồ đấu nối mạch b) Sơ đồ mạch bên Hình 14 Half-Bridge Driver IR2103 54 Với van lực cơng suất lớn địi hỏi dịng điều khiển mạnh thời gian ngắn, cần thêm tụ trữ lượng mắc sát cạnh Driver nguồn điều khiển khơng 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 khơng đảo chiều theo phương pháp PWM Hình 3.15 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 khơng 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 tốn • Khâu tạo điện áp điều khiển • Khâu so sánh hai cửa OA3, tạo xung PWM 55 Hình 15 Sơ đồ điều khiển van lực IGBT băm xung chiều khơng đảo chiều hệ mở Hình 16 Giản đồ điện áp hình 3.15 56 BXMC có đảo chiều theo phương pháp điều khiển đối xứng Sơ đồ tương đương hình 3.18 Sự khác biệt thể hai điểm: • Mạch khơng có khâu xác định chiều dịng, quy luật điều khiển chung cho hai chiều dịng 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 3.17 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 khơng, tụ C phóng tắt qua diode D nên độ trễ không đáng kể Thực tế thời gian tr nm khong (1,3 ữ10) às, tựy loi van lực tần số làm việc mạch Hình 17 mạch tạo trễ mở 57 Hình 18 Sơ đồ điều khiển băm xung chiều đảo chiều, phương pháp điều khiển đối xứng 58 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH SẠC ÁCQUI BẰNG PHẦN PSIM VÀ MATLAB I MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU FULL BRIGDE BẰNG PHẦM MỀM PSIM Hình Mạch nguyên lý BXMC có đảo chiều 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 59 Hình Kết Quảng Mơ 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 Dflip-flop sau AND với Q Q 60 Hình kết mơ tín hiệu AND Mơ Kết Quả mạch full bridge Ta điện áp dịng điện hình Hình 4 Kết mơ dịng điện điện áp Nhận xét: Với kết mô mạch full bridge - KHI MỚI CẤP NGUỒN THÌ ĐIỆN ÁP TĂNG VỌT TỪ 0-14V THỜI GIAN QUÁ ĐỘ RẤT NGẮN CHƯA ĐẾN 0,0001S 61 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) Hình Sơ đồ nguyên lý BXMC nối tiếp - Mạch điều khiển tương đương: 62 Hình Mạch điều khiển tương đương với phần mềm matlab 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 Hình kết điều chỉnh điện áp so sánh Mô Kết Quả mạch Buck Ta điện áp dịng điện hình 63 Hình Kết mơ dịng điện điện áp Nhận xét: Với kết mô mạch buck  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  Nhận xét: qua mô ta thấy rõ hai mạch đáp ứng yêu cầu đề tài 64 KẾT LUẬN 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 mch) ã Iripple = 0.3 ì I Trong quỏ trỡnh 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 nguyên 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 quan hồn 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 65 Tài Liệu Tham Khảo [1] Giáo Trình Thiết Kế Hệ Thống Điện Tử Cơng Suất – Trường đại học kinh tế -kỹ thuật công nghiệp (Uneti) [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] Trần Văn Thịnh: “Tính tốn thiết kế thiết bị Điện tử cơng suất” Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2009 [5] Một Số Trang web: www.dientuvietnam.net : tailieu.vn 66