tài liệu kèm theo file mô phỏng mạch băm xung áp 1 chiều kiểu buck sử dụng matlab simulink. Yêu Cầu Thiết Kế Đề tài : Thiết kế bộ biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV với các yêu cầu sau: Vin = 17 V Vout = 12V ILoad = 2A fsw= 100kHz ( tần số chuyển mạch) Iripple = 0.3 × IL 1. Trình bày cấu trúc mạch lực và nguyên tắc phát xung điều khiển. 2. Tính chọn giá trị danh định và lựa chọn cụ thể (nhà SX, mã sản phẩm) tất cả các phần tử trong mạch: Van bán dẫn, tụ điện, điện cảm,… theo các thông số kỹ thuật yêu cầu. 3. Xây dựng chương trình mô phỏng bộ biến đổi kiểm chứng thiết kế. Chương 1. Tổng quan bộ biến đổi DC – DC. Chương 2. Chọn và phân tích mạch lực. + Cấu trúc mạch lực + Thiết kế, tính toán và lựa chọn các phần tử trong mạch lực Chương 3. Chọn và phân tích mạch điều khiển. + Cấu trúc mạch điều khiển + Thiết kế, tính toán và lựa chọn các phần tử trong mạch điều khiển Chương 4. Mô phỏng mạch động lực và mạch điều khiển ( trên phần mềm matlab, Psim, Proteus…) Bộ môn Điều Khiển và Tự Động Hóa giáo viên hướng dẫn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình và được thầy Mai Văn Duy hướng dẫn. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Trường đại học Kinh Tế Kỹ Thuật - Công Nghiệp không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có) Hà Nội, tháng 06 năm 2023 Người thực hiện LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Mai Văn Duy giảng viên khoa điện đã trang bị giúp em những kỹ năng cơ bản và kiến thức cần thiết để hoàn thành được đồ án này. Cùng với sự nỗ lực của bản thân, sự hỗ trợ của bạn bè trong lớp, đặc biệt với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Mai Văn Duy chúng em đã hoàn thành một cách tương đối tốt những yêu cầu mà đề tài đã đặt ra. Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành của em còn hạn chế nên không thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấn đề. Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các thầy cô bộ môn để đề tài của em thêm hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc bộ môn “Điện tử công suất, Truyền động điện’’ đã giúp đỡ chúng em tận tình chỉ bảo chúng em để có thể hoàn thiện đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 2 TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 2 1.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LÀ GÌ ? 2 1.1.1 Giới thiệu chung 2 1.1.2 Khái niệm 3 1.1.3 Phân loại bộ biến đổi DC-DC 3 1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ÁC QUY 4 1.2.1 Giới thiệu 4 1.2.2 Các thông số của acquy 5 1.2.3 Các loại acquy. 7 1.2.4. Công nghệ nạp ácquy 12 CHƯƠNG 2 16 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC 16 2.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ BUCK 16 2.1.1 giới thiệu 16 2.1.2 Nguyên lí hoạt động 17 2.1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi buck 21 2.3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 22 2.2.1 Van bán dẫn 22 2.2.2 Cuộn cảm L 24 2.2.3 Tụ điện C 26 2.2.4 Điện trở 26 CHƯƠNG 3 27 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN 27 3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 27 3.1.1 phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM 27 3.1.2. Điều chỉnh theo phương pháp xung - tần 29 3.2 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN,CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG KHÂU 29 3.2.1 khâu phát xung chủ đạo và khâu tạo điện áp răng cưa 29 3.2.2 khâu so sánh 35 3.2.3 khâu khuyếch đại công suất 37 3.2.4 khâu tạo điện áp điều khiển 40 CHƯƠNG 4 41 MÔ PHỎNG MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 41 4.1 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 41 Nhận xét chung: Với Kết quả thấy được. 46 Tài liệu tham khảo 48
BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LÀ GÌ ?
Ngày nay, các bộ biến đổi sử dụng trong các hệ thống rất thông dụng bởi hiệu suất và chất lượng điện áp Các bộ biến đổi điện áp một chiều là một trong những bộ biến đổi được sử dụng nhiều nhất
Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với một mạch điện hay một hệ thống điện nào đó Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của mạch hay hệ thống Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống nó cần đòi hỏi các nguồn đầu vào khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn Nguồn DC được sử dụng rất rộng rãi và được sử dụng hầu hết trong các mạch điện hay các hệ thống điện Nhưng để sử dụng nguồn DC vào hệ thống của mình thì nguồn DC này cần phải được biến đổi thành nguồn DC khác hay nhiều nguồn DC cung cấp cho hệ thống Ví dụ như mình có 1 nguồn đầu vào là 12V mà hệ thống của mình nó chạy tới 100V thì lúc này chúng ta phải biến đổi điện áp từ 12V lên 100V để chạy được hệ thống của chúng ta.
Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC-
DC nó được sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các hệ thống điện tự động Với ưu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp, ổn định được điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra khi với một đầu vào… Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn :Cách ly và không cách ly
* Nhóm nguồn không cách ly :
Mỗi loại nguồn trên đều có những ưu nhược điểm khác nhau Nên tùy theo yêu cầu của nguồn mà ta chọn các kiểu nguồn xung như trên.
Bộ biến đổi DC-DC hay DC-DC converter hay bộ biến đổi điện áp 1 chiều-1 chiều là một mạch điện tử hay thiết bị cơ điện dùng để chuyển đổi nguồn dòng điện 1 chiều (DC) từ mức điện áp này sang mức điện áp khác Nó là một loại bộ chuyển đổi năng lượng điện Mức năng lượng từ rất thấp đến rất cao.
1.1.3 Phân loại bộ biến đổi DC-DC
Một số tiêu chí cơ bản hay được sử dụng để phân loại các bộ biến đổi DC-DC:
1.1.3.1 Theo mức điện áp ra so với mức điện áp vào
Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter hoặc Step down converter): Là bộ biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra nhỏ hơn giá trị điện áp một chiều ở đầu vào
Bộ biến đổi tăng áp ( Boost Converter hoặc Step Up Converter): Là bộ biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra lớn hơn giá trị điện áp một chiều ở đầu vào
1.1.3.2 Theo phương pháp chuyển đổi
- Bộ biến đổi dùng tụ điện.
- Bộ biến đổi dùng cuộn cảm
- Bộ biến đổi kết hợp cả hai phương pháp trên.
1.1.3.3 Theo sự liên hệ vật lý giữa đầu vào và đầu ra
Bộ biến đổi không có cách ly (Non-isolating Converter): Là các bộ biến đổi mà có đầu vào và đầu ra có liện hệ trực tiếp với nhau về điện.Thường thấy dạng này trong các bộ Buck converter hoặc Boost converter
Bộ biến đổi có cách ly (Isolating Converter ): Là các bộ biến đổi có đầu vào và đầu ra không có liên hệ trực tiếp với nhau về điện.Thường thấy dạng này trong các bộ Flyback converter hoặc Bridge converter.Với việc sử dụng máy biến áp xung giữ vai trò cách ly và tạo tỷ số điện áp ra/vào.
Bộ điều chỉnh tuyến tính (Linear Regulator): Trường hợp này, năng lượng được truyền một cách liên tục từ đầu vào qua bộ biến đổi tới đầu ra
Bộ điều chỉnh chuyển mạch (Switching Regulator): Trường hợp này, năng lượng được truyền từ đầu vào qua bộ biến đổi tới đầu ra có sự thay đổi kiểu nhảy bậc.
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ÁC QUY
1.2.1 Giới thiệu Ácquy được cấu tạo bởi 2 hay nhiều các ngăn acquy nhỏ được ghép lại với nhau, các ngăn này chuyển hóa năng thành điện năng Một ngăn gồm 2 bản cực, cực dương và cưc âm được nhúng một dung dịch điện phân nên sẽ có sự tác dụng giữa các bản cực với dung dich điện phân và sinh ra dòng điện một chiều Trong trường hợp các acquy có thể sạc, các phản ứng hóa học diễn ra ngược lại bằng cách cho dòng điện vào acquy.
Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất.
1.2.2 Các thông số của acquy
Mỗi ngăn acquy có một điện áp nhỏ, các ngăn sẽ được nối nối tiếp với nhau để đưa ra được một điện áp yêu cầu acquy trên xe hơi thường là 6V hoặc 12V nên các ngăn được nối với nhau để tạo ra điện áp như trên Khi dòng điện được đưa ra, điện áp sẽ giảm xuống, khi acquy được sạc điện áp lại tăng lên.
Hình 1.0.1 Mạch tương đương của acquy
Acquy có một suất điện động E được cho là không đổi, nhưng điện áp trên 2 bản cực là một giá trị khác V do điện trở trong của acquy Phụ thuộc vào dòng điện I chảy ra 2 bản cực acquy. Điện áp trên 2 bản cực của acquy có thể tính như sau:
Nếu như dòng điện I = 0, thì điện áp trên hai bản cực coi như bằng E do đó E được coi là điện áp hở mạch Khi acquy được sạc thì điện áp sạc sẽ bị tăng lên bới IR Vì vậy điện trở trong của acquy càng nhỏ càng tốt.
Trong thực tế E không phải là một hằng số Điện áp bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc và nhiều nhân tố khác như nhiệt độ
Khả năng tích điện. Điện tích mà một acquy có thể cung cấp là một thống số quyết đinh Đơn vị trong hệ SI là coulomb, là số điện tích khi một amp chảy qua trong một giây Tuy nhiên đây là một đơn vị nhỏ Do đó amphour được sử dụng: 1Ampe chảy qua trong một giờ VD: dung lượng của một acquy là 10Amphours nghĩa là nó có thể cung cấp dòng 1Ampe trong 10 giờ, hay là 2Ampe trong 5 giờ, 10Ampe trong 1 giờ
Nhưng thực tế theo như thông số là 10Amphours, nếu như 10Ampe được lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ
Một ví dụ khác với một acquy 100Amphour Dung lượng sẽ bị ảnh hưởng khi điện tích được lấy ra nhanh hay chậm Khi phóng điện hết trong 1 giờ thì dung lượng giảm xuống chỉ còn khoảng 70Amphours Mặt khác nếu phóng điện càng lâu ( khoảng 20 giờ) thì dung lượng lại lên tới 110Amphours Hiện tương này xảy ra bởi nhưng phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy Hiện tượng đễ nhận thấy nhất trong acquy chì axit, nhưng nó cũng xảy ra với tất cả các loại acquy.
Hiệu suất của năng lượng. Đây là tỷ lệ giữa năng lượng mà một acquy có thể cung cấp cho tải với năng lượng cần thiết mà acquy nạp vào trước khi phóng điện.
Tỷ lệ tự phóng điện.
Hầu hết các loại acquy khi không sử dụng đều bị xảy ra hiện tượng này, điều này cho thấy acquy không thể để không trong một thời gian dài mà không được nạp, tỷ lệ này phụ thuộc vào loại acquy, nhiệt độ môi trường…
Nhiệt độ khi hoạt động và làm mát.
Nhiều loại acquy có thể hoạt động ngay ở nhiệt độ mooit trường, một số hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cần phải làm nóng lên mới sử dụng được và cần phải làm mát trong khi sử dụng Tuy nhiên, hiệu suất acquy sẽ rất kém khi làm việc ở nhiệt độ thấp Khi chọn acquy phải cân nhắc đến các yếu tố trên.
Tuổi thọ và số lần nạp lại.
Hầu hết acquy chỉ có thể nạp lại khoảng vài tram lần, số lần nạp lại phụ loại acquy, cũng như thiết kế chi tiết, cách sử dụng của acquy, đây là thông quan trọng trong các thông số của acquy
1.2.3.1 Acquy chì axit. Đây là loại acquy được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe Ở trong các ngăn của loại acquy này cực âm được cấu tạo từ chì, cực dương làm từ chì oxit, các cực này được ngâm vào trong một dung dịch điện phân loãng của axit sunfuric Axit sunfuric kết hợp với chì, chì oxit, sinh ra chì sunfat và nước, năng lượng sẽ được sinh ra trong suốt quá trình này.
Phản ứng trên được mô tả trên hình 1.0.2
Hình 1.0.2 phản ứng trên mỗi acquy
Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần,
Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit.
Acquy chì axit này được sử dụng rất rông rãi, hoạt động tin cậy, các thành phần cấu tạo rẻ, và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn
Đặc trưng riêng của acquy chì axit.
Các phản ưng trong acquy không chỉ diễn ra như trên hình vẽ, các cực của acquy đều tác dụng với axit sunfuric mặc dù diễn ra rất chậm như sau: ở cực dương : 2PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O + O2 ở cực âm : Pb + H2SO4 PbSO4 + H2 Đây là quá trình tự phóng của acquy, tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiêt độ của acquy, nhiệt độ càng cao diên ra càng nhanh, sự nguyên chất của các linh kiện,
Mặt khác, sau khi đã sạc đầy nêu ta tiếp tục sạc tiếp khi đó không còn chì sunfat để nhận các electron sẽ sinh ra H2 và O2 Làm dung dịch trong acquy bị cạn dần.
Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel được phát triển từ công trình nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Các loại acquy này được làm từ kim loai nickel, nickel – kẽm, nickel-cadimi.
Acquy nicken-cadimi. Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhưng nó có chỉ số năng lượng riêng gấp đôi acquy chì
Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dương và cadimi làm cực âm, năng lượng điện thu được qua phản ứng sau:
Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
NiCad acquy được ứng dụng khá rộng rãi, có số lần nạp lại khỏang 2500 lần, nhiệt độ hoạt động trong khoảng -40*C đến 80+*C, chỉ số tự phóng thấp, khả năng lưu trữ năng lượng dài, có thể sạc đầy trong vòng 1 giờ, và đến 60% trong 20 phút.
GIỚI THIỆU VỀ BỘ BUCK
Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc điều khiển các khóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường, nó còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hay hệ thống khác nhau như: cấp nguồn cho máy tính và laptop, các bộ sạc điện thoại, nạp pin từ năng lượng mặt trời…
Trong thực tế, các thành phần của bộ biến đổi không phải là lý tưởng Tụ điện được thay thế bằng một tụ điện lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở Rc Điện trở Rc được gọi là điện trở nối tiếp tương đương (ESR) của tụ điện, dùng để chỉ ra tổn thất năng lượng trên tụ điện Cuộn cảm được thay thế bằng một cuộn cảm lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở RL
Hình 2.0.3 sơ đồ mạch giảm áp buck
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau:
Khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt trên cuộn cảm, làm dòng điện trong cuộn cảm tăng dần theo thời gian Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: Ut=E, vì dòng điện từ nguồn i1 phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ nạp năng lượng trong giai đoạn van Tr dẫn
Hình 2.0.4 sơ đồ thay thế khi TR dẫn
Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển Khóa (van) ngắt, cuộn cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp trên cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có điện áp bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode D1, khiến cho dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra C có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép
Hình 2.0.5 sơ đồ thay thế khi Tr không dẫn Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua cuộn cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua cuộn cảm là liên tục.
Vì cuộn cảm không tiêu thụ năng lượng (cuộn cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên cuộn cảm bằng 0, và dòng điện trung bình trên cuộn cảm là khác 0, và điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm phải là 0.
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), tỷ lệ thời gian đóng khóa (van) trong 1 chu kỳ chuyển mạch T là D (0 < D < 1) thời gian khóa (van) đóng là T1 và thời gian khóa (van) ngắt là T2, như vậy T=T1+T2 Giả sử điện áp rơi trên diode và dao động điện áp ngõ ra là rất nhỏ so với điện ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là −(T2/T)×Vout.Khi đó, để điện áp rơi trên cuộn cảm bằng 0 thì:
Giá trị D=T1/T2 được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Do D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1) nên 0 < Vout < Vin
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề được đặt ra là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Imin, xác định giá trị của cuộn cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ (D), để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) D: Dmin =Vout/Vinmax và Dmax =Vout/
Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ hoạt động gián đoạn Chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn 0 do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn Còn ở chế độ gián đoạn, dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng 0 Trong đồ án chỉ xét bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục
Giá trị trung bình điện áp trên tải:
Giá trị trung bình dòng điện trên tải: t t t t t
Hình 2.0.6 dạng sóng của bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout) Một cách cụ thể chúng ta có đẳng thức sau:
Hai thông số cần lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (f = 1/T là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua cuộn cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.Với dòng điện qua cuộn cảm có dạng xung tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc 2 nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Khi khóa
(van) ngắt, năng lượng trên cuộn kháng L chuyển thành năng lượng nạp vào tụ C và năng lượng tiêu thụ trên tải R cho đến khi iL(t) = I
Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng ta có phương trình:
UCmax = UC + ΔUC = V + ΔV ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp
2.1.3 Ứng dụng của bộ biến đổi buck
-Ứng dụng trong USB on the go
-Ứng dụng trong bộ chuyển độ POL cho máy tính để bàn và máy tính xách tay
-Ứng dụng trong bộ sạc pin
PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Hình 2.0.7 bộ biến đổi buck
Tính toán các thành phần của mạch lực theo thông số của nguồn như công suất, điện áp vào ra dòng tải…
Với thông số đề bài cho : Điện áp đầu vào ( Vin) : 17V Điện áp đầu ra (Vout) : 12V
Dòng điện qua tải ( ILoad) : 2A
Tần số chuyển mạch (Fsw):100kHz
Dòng điện gơn sóng ( Iripple): 0.3 xIL
=>Công suất đầu ra : P out = V out × I Load × 2$ V
Tham số điều chỉnh : D= V V ¿ out
Chọn tần số làm việc của mạch là 100kHz Mạch lực sử dụng các thành phần sau:
Do mạch có công suất P$w ( loại nhỏ) Điện áp lớn nhất vào van là : Vin (v)
Dòng điện lớn nhất đi qua van : Imax=√2 P
chọn van đóng cắt là MOSFET tần số cao có giá trị dòng điện lớn hơn 1.99A , điện áp lớp hơn 17V và thỏa mãn tần số 100 K hz
Hình 2.0.8 cấu trúc bán dẫn và kí hiệu của mostfet
Nguyên lí hoạt động của mosfet
• dẫn: Ugs> 0 ; bão hoà tốt nếu UgsV
• khoá Ugs ≤0 Ưu điểm của mostfet:
+ công suất điều khiển nhỏ
+ tham số ít phụ thuộc nhiệt độ
+ có thể không cần điện áp âm ở trạng thái khóa
+ tốc độ chuyển mạch nhanh ( có thể làm việc với tần số hàng trăm kHz).
Dòng ước định qua điot :
→ Ta cần chọn điot có giá trị dòng điện lớn hơn 0.588 (A) , điện áp lớn hơn 17V và thỏa mãn tần số 100 K hz
→ Chọn Diot 1N4001 tra theo thông số datasheet
-Dòng điện thuận trung bình là 1A
-Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 50V
-Dòng Fwd trung bình: 1000mA
-Dòng điện tối đa không lặp lại: 30A
-Công suất tiêu thụ tối đa là: 3W
-Nhiệt độ lưu trữ va hoạt động phải là: -55 đến +175 độ C.
Khi van ở trạng thái ON thì điện áp rơi trên cuộn cảm bằng :
VL= Vin-Vout Điện áp rơi trên cuộn cảm : V L = L × ∆ I
Từ đó ta được: diL(t ) dt = VL(t )
Hình 2.0.9 đồ thịn điện áp cuộn cảm theo thời gian
Khi van ở trạng thái mở thì điện áp cuộn cảm bằng:
Dòng điện qua cuộn cảm được miêu tả như Hình 2.0.8, ta có thể thấy dòng điện 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼 + ∆𝑖𝐿, trong đó ∆𝑖𝐿 là độ gợn (độ dao động) của dòng điện qua cuộn cảm.
Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là 2∆𝑖𝐿 và bằng :
Với giá trị ∆𝑖𝐿 thường được chọn khoảng 10 ÷ 20%𝐼𝑜𝑢𝑡
Hình 2.0.10 đồ thị dòng điện qua thời gian
Chọn cuộn cảm cú giỏ trị là : LXàH
Xét dòng điện qua tụ điện : điện áp bắt đầu nạp ácqui từ V min cho đến V max tương ứng với dòng điện trong tụ tăng từ 0 lên max và xả về 0
Từ đó ta có phương trình cân bằng tại nút : I C = I L − I 0
Tại thời điểm ban đầu t=0 , I L =0 nên : Điện lương nạp vào tụ trong thời gian t : Q(t)=C.Vc(t)
Chọn tụ lọc đầu ra của mạch buck là :C= 25 àF
Với điện áp đầu ra là 12V
Dòng qua tải là 2V Áp dụng định luật ôm ta có: Điện trở qua tải sẽ bằng:
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1.1 phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM
Phương pháp PWM ( PULSE WIDTH MODULATION) là phương pháp điều chỉnh độ rộng xung vuông ,tức là thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của xung mà không làm thay đổi tần số.
Dùng PWM để điều khiển việc đóng , cắt của khóa(van) trong bộ biến đổi. Việc thay đổi độ rộng sườn dương hay âm của xung điều khiển dẫn đến thay đổi thời gian đóng ngắt của van Do đó làm thay đổi điện áp đầu ra. Để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 3.1a, còn hình 3.1b là đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động Chức năng các khâu là:
1 Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi
2 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số
3 Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk , điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0 Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn
4 Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực.
5 Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.
Hình 3.0.11 sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển theo phương pháp PWM
*Ưu nhược, điểm của độ rộng xung PWM Ưu điểm :
Tiết kiệm nhiên liệu, năng lượng điện hơn.
Tăng hiệu quả, hiệu suất làm việc cho thiết bị lên đến 90%.
Rất dễ dàng tách và giải nhiễu sóng, xung điều khiển.
Công suất xử lý tín hiệu điều khiển cũng cao hơn, có thể sử dụng tần số rất cao.
Hạn chế tình trạng nhiễu tín hiệu điều khiển.
Dễ dàng khi ồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu tín hiệu từ thiết bị điều khiển, dễ điều chỉnh Biên độ và tần số độc lập.
Giảm được đáng kể THD của dòng tải.
Tỏa nhiều nhiệt năng khi thiết bị vận hành.
Gây ra nhiều tiếng ồn điện từ.
Mạch biểu diễn phức tạp, đòi hỏi thợ lắp rắp, sản xuất tay nghề cao.
Có thể gây tình trạng nhiễu tần số vô tuyến, thay đổi công suất tức thời.
Băng thông phải lớn với thiết bị liên lạc để giao tiếp.
Suy hao chuyển mạch cao do tần số PWM cao.
3.1.2 Điều chỉnh theo phương pháp xung - tần
Phương pháp này ngược với phương pháp kiểu thay đổi độ rộng xung, cần phải thay đổi được tần số băm xung trong khi khoảng dẫn của van lực Tr được giữ không đổi Cấu trúc điều khiển như hình 3.0.2, gồm các khâu sau đây:
1 Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự như mạch trước
2 Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần sô tỉ lệ thuận với điện áp vào là điện áp điều khiển
3 Khâu tạo khoảng dẫn không đổi cho van lực Tr, tức là t0 = const với tần số do bộ U/f quyết định
4 Khâu khuếch đại công suất.
Hình 3.0.12 sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều điều khiển xung-tần
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN,CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG KHÂU
Ta lựa chọn mạch điều khiển theo phương pháp PWM
3.2.1 khâu phát xung chủ đạo và khâu tạo điện áp răng cưa
Chỉ có nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này.
Hai khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau, tương tự như khâu tạo điện áp răng cưa của điều khiển chỉnh lưu phụ thuộc vào xung nhịp đồng bộ Hoạt động của chúng cũng giống nhau do tính chất điện áp ra như nhau: đều là răng cưa Điều khác biệt là ở chỗ, trong chỉnh lưu thì tần số xung nhịp phụ thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều của lưới điện, còn với hệ băm xung thì tần số này do bản thân mạch điều khiển quyết định và không có quan hệ gì với tần số lưới điện Có hai dạng răng cưa hay được dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răng cưa tam giác hai cực tính.
Khâu phát xung chủ đạo là khối phát sóng chủ đạo, có nhiệm vụ tạo ra hệ thống xung điện áp thường có dạng hình chữ nhật với tần số thường là bằng tần số của xung điện áp đầu ra BBĐ Khối này có thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau như các mạch đa hài, các mạch tự dao động,v.v .
Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:
- Tạo dao động với tần số cố định bằng tần số băm xung van lực.
- Điện áp ra có dạng xung với hình dáng theo yêu cầu của khâu tạo răng cưa tuyến tính đi lên với đặc điểm: thời gian làm việc (răng cưa đi lên) phải lớn hơn nhiều ần thời gian hồi phục răng cưa (đi xuống). khâu tạo điện áp răng cưa là mạch tạo ra chuỗi các điện áp hình răng cưa tần số bằng tần số tín hiệu ra mạch FSCĐ.
3.2.2.1 Răng cưa tuyến tính một cực tính
Trong phần BXMC sử dụng răng cưa dạng đi lên, chứ không nên dùng răng cưa đi xuống như trong điều khiển chỉnh lưu Nguyên do là: một hệ thống tuyến tính, tức là có quan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượng ra và điện áp điều khiển (ura = k.uđk) là rất thuận lợi khi xây dựng các bộ điều chỉnh tự động Vì BXMC có ura tỉ lệ thuận với tham số γ, nên để hệ tuyến tính cần có uđk cũng tỉ lệ với γ, mà điều này chỉ có được nếu răng cưa tuyến tính đi lên
sử dụng bộ dao động dùng khuếch đại thuật toán OA, để thực hiện yêu cầu thời gian quét và thời gian phục hồi răng cưa khác nhau cần phải tách riêng điện trở nạp (R1) và điện trở phóng (R2) cho tụ C1 nhờ các diode D1, D2
Hình 3.0.13 sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính đi lên bằng OA
Biểu thức tính các khoảng thời gian này:
- Khoảng thời gian xung:Ufx > 0: t 1 = R 1 C 1 ln ( 1+2 R R 4 3 ) =1.1 R 1 C 1 ,khi R 3 =R 4
- Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: t 2 = R 2 C 1 ln ( 1+2 R R 4 3 ) =1.1 R 2 C 1 ,khi R 3 =R 4
- Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T.
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: γ min = t 1
T và thường t1 0: t1 = 0,7R1C1
- Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: t2 = 0,7R2C1
Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T
Có thể coi phạm vi điều chỉnh γ min = t 1
T , và thường t1 Nhận xét : kết qủa mô phỏng đáp ứng đúng yêu cầu bài đặt ra Hệ thống ổn định rất nhanh sau khoảng thời gian 0.000015 (s)
Hình 4.0.25 kết quả mô phỏng dòng điện qua tải
Nhận xét : dòng điện qua tải đáp ứng đúng yêu cầu của đề bài đặt ra.hệ thống ổn định sau khoảng 0.0001s
4.2 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PSIM
Hình 4.0.26 mô phỏng mạch buck bằng psim
*Mô phỏng mạch điều khiển
Hình 4.0.27 mô phổng mạch điều khiển bằnng Psim
Hình 4.0.28 kết quả mô phỏng mạch mô phỏng các khâu của mạch điều
Hình 4.0.29 kết quả mô phỏng điện áp đầu ra và dòng qua tải
=>Nhận xét:kết quả mô phỏng đúng yêu cầu đề bài đặt ra Hệ thống ổn định sau 0.0001(s)
Nhận xét chung: Với Kết quả thấy được
Khi mới cấp nguồn thì điện áp tăng vọt Thời gian quá độ rất ngắn khoảng sau0.0001s Điện áp dao động với biên độ giảm dần và dần dần đi đến ổn định ở giá trị 12V Từ đây ta thấy nó giống với giá trị mà chúng ta đã đặt từ trước
Chứng tỏ hệ thống hoạt động tương đối ổn định và đạt các tiêu chuẩn đã đề ra
Dòng điện tương tự cũng giao động với biên độ giảm dần và dần dần đi đến ổn định ở giá trị 2A Lúc mới bắt đầu hoạt động thì dòng điện tăng đột biến lên 2.5A (lớn hơn giá trị yêu cầu) Nên chúng ta cần phải có thêm thiết bị bảo vệ cho ắc quy trong trường hợp lúc khởi động có dòng điện lớn.
Do giá trị dòng điện sau này ổn định và gần bằng giá trị đặt ban đầu là 2A nên có thể xem hệ thống vận hành tốt và cơ bản đáp ứng yêu cầu đề ra
Vậy qua mô phỏng ta thấy rõ được cả hai mạch đều đáp ứng được yêu cầu đề tài ra.
