Đồ Ánn buck dc dc

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

Thiết kế bộ biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV

Giáo viên hướng dẫn đồ án : ThS Mai Văn DuySinh viên thực hiện : Đặng Đình ThuấnMã sinh viên : 20104300050Lớp : DHTD14A2HN

Hà Nội- 2023

Yêu Cầu Thiết Kế

Đề tài : Thiết kế bộ biến đổi DC-DC Buck để nạp acqui từ panel PV với các yêu cầu

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

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!

1.1.3 Phân loại bộ biến đổi DC-DC 3

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ÁC QUY 4

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

Danh mục các hình

Hình 1.0.1 Mạch tương đương của acquy 6

Hình 1.0.2 phản ứng trên mỗi acquy 9

Hình 2.0.1 sơ đồ mạch giảm áp buck 17

Hình 2.0.2 sơ đồ thay thế khi TR dẫn 18

Hình 2.0.3 sơ đồ thay thế khi Tr không dẫn 19

Hình 2.0.4 dạng sóng của bộ biến đổi buck trong chế độ dòng liên tục 21

Hình 2.0.5 bộ biến đổi buck 22

Hình 2.0.6 cấu trúc bán dẫn và kí hiệu của mostfet 24

Hình 2.0.7 đồ thịn điện áp cuộn cảm theo thời gian 25

Hình 2.0.8 đồ thị dòng điện qua thời gian 26

Hình 3.0.1 sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển theo phương pháp PWM 29

Hình 3.0.2 sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển xung-tần 30

Hình 3.0.3 sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính đi lên bằng OA 31

Hình 3.0.4 tạo dao động bằng time 555 ghép với mạch răng cưa dùng transistor 33

Hình 3.0.5 sơ dồ tạo xung tam giác hai cực tính 35

Hình 3.0.6 so sánh 2 cửa dùng khuyếch đại thuật toán OA 37

Hình 3.0.7 cấu trúc khối khuyếch đại xung 38

Hình 3.0.8 một số mạch phối hợp xung 39

Hình 3.0.9 các điện trở hạn chế dòng điều khiển 40

Hình 4.0.1 sơ đồ mạch điều khiển và mạch lực hoàn chỉnh 42

Hình 4.0.2 mô phỏng mạch điều khiển cho van theo phương pháp PWM 42

Hình 4.0.3 kết quả mô phỏng điều khiển 43

Hình 4.0.4 mô phỏng mạch buck 43

Hình 4.0.5 kết quả mô phỏng điện áp đầu ra 44

Hình 4.0.6 kết quả mô phỏng dòng điện qua tải 45

Hình 4.0.7 mô phỏng mạch buck bằng psim 45

Hình 4.0.8 mô phổng mạch điều khiển bằnng Psim 46

Hình 4.0.9 kết quả mô phỏng mạch mô phỏng các khâu của mạch điều 46

Hình 4.0.10 kết quả mô phỏng điện áp đầu ra và dòng qua tải 47

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đang theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật Trong học phần đồ án này, chúng em thực hiện đề tài: “ Thiết kế mạch buck conventer DC-DC”

Sau thời gian học tập tại trường , được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Kinh Tế - Kĩ Thuật Công Nghiệp , em đã học khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài : “THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK ĐỂ NẠP ÁCQUI TỪ PANEL PV”

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

1.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC LÀ GÌ ? 1.1.1 Giới thiệu chung

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

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.

1.1.2 Khái niệm

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.

1.1.3.4 Theo bộ điều chỉnh

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.

1.2 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

 Điện áp:

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: V = E – IR

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 Các loại 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.

Pb + PbO2 + H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 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.

1.2.3.2 Acquy Nickel

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.

Mỗi ngăn acquy chỉ có điện áp khoảng 1.2V do đó để có một điện áp 12V cần có 10 ngăn, Cd là một chất gây ô nhiễm môi trường và gây ung thư, các điều này làm tăng giá thành của acquy.

1.2.3.3 Acquy Natri.

Loại acquy này được phát triển vào những năm 1980, sử dụng dung dịch natri để làm cực âm, điểm khác biệt của acquy này với các loại acquy khác là chúng hoạt động ở nhiệt độ cao Chúng có một cực làm từ natri lỏng bên trong hình dạng của một loại sứ, chúng rất độc hại nên không được ứng dụng vào trong điện thoại di động hay lapotp.

 Acquy natri lưu huỳnh.

Bắt đầu được phát triển vào những năm 1970, chúng hoạt động ở nhiệt độ 300*-350*C để giữ được nhiệt độ như vậy chúng được đóng kín vào một hộp chân không.

Cực dương gồm natri lỏng, cực âm gồm dung dịch lưu huỳnh.

Năng lượng điện được giải phóng qua sự kết hợp giữa natri và lưu huỳnh tạo thành natri sulphide.

2Na + xS  Na2Sx

Do yêu cầu nhiệt độ cao, nên các loại acquy nhỏ không thể chế tạo được, việc làm nóng là làm mát cho acquy cần được thiết kế cẩn thận mặt khác sự nguy hiểm của natri và lưu huỳnh đã làm cho loại acquy này không còn xuất hiện trên thị trường.

 Acquy Zebra.

Acquy zebra sử dụng nickel cloride để làm cực dương và natri lỏng để làm cực âm Năng lương được tạo ra từ phản ứng giữa Natri và Nickel cloride:

2Na + NiCl2 Ni + 2NaCl

Điện áp tạo ra từ phản ứng khoảng 2.5V, trong giai đoạn sau phản ứng trở lên phức tạp, các ion nhôm từ dung dịch điện phân làm hạ điện áp, rơi xuống khoảng 1.6V điện trở trong của acquy cũng tăng theo.

Một nhược điểm lớn nữa của Zebra acquy là chúng hoạt động ở nhiệt độ 320*C.

1.2.3.4 Acquy Liti.

Từ cuối năm 1980 acquy liti đã xuất hiện trên thị trường chúng có mật độ năng lượng cao hơn hẳn so với các loại acquy khác Chúng có ở các laptop đắt tiền, điện thoại di động nhiều hơn các loại acquy NiCad và NiHM.

 Acqui Li-polymer.

li-poplymer acquy sử dụng Li làm cực âm và một oxit kim loại khác đặt ở giữa là cực dương, phản ứng hóa học giữa Li và kim oxit kim loại giải phóng năng lượng khi acquy được sạc phản ứng hóa học được diễn ra ngược lại

xLi + MyOz LixMyOz

Hình dạng của cực Liti là vấn đề lớn của loại acquy này, chúng thỉnh thoảng bị giảm hiệu suất hoạt động do sự thụ động, do đó chúng đã bị thay thế bởi acquy Li-ion.

 Acqui Li-ion.

Acquy Li-ion được giới thiệu vào đầu những năm 1990, sử dụng oxit Liti để làm cực dương và Liti Cacbon để làm cực âm, dung dịch điện phân là một dung dich hữu cơ hoặc một loại polymer rắn.

Năng lượng được giải phóng từ phản ứng giữa Liti cacbon và oxit liti C6Lix + MyOz 6C + LixMyOz

Đặc điểm quan trọng của loại acquy này là chúng cần một điện áp chính xác khi sạc, nếu cao quá sẽ làm hỏng acquy, thấp quá sẽ sẽ không đủ để sạc Để đáp ứng điều này, các bộ sạc acquy cũng được phát triển cùng với acquy.

Acquy Li-ion có một lợi thế về trọng lượng so với các loại khác, có mật độ năng lượng cao gấp lần acquy chì.

1.2.4 Công nghệ nạp ácquy

1.2.4.1 Phương pháp phóng nạp.1.2.4.1.1 Phóng điện ắc quy.

Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.

Khi phóng diện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V.

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V).

1.2.4.1.2 Nạp điện ắc quy.

Việc nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.

Tuỳ theo phương pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

 Nạp với dòng điện không đổi  Nạp với dòng điện giảm dần  Nạp với điện thế không đổi.

 Nạp thay đổi với điện thế không đổi.

1.2.4.1.2.1 Nạp với dòng điện không đổi.

Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước  Nạp kiểu 1 bước:

Để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0,12 C10.

 Nạp kiểu 2 bước:

Bước 1: Để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp nhưng

không vượt quá 0,25 C10 Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4V thì chuyển sang bước 2

Bước 2: Để dòng điện nạp không vượt quá 0,12C10 Đến cuối thời gian nạp, điện thế ắc quy đạt đến 2,6 – 2,8V Tỷ trọng ắc quy tăng lên đến 1,200 – 1,210 g/cm3, giữa các bản cực ắc quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của ắc quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ và ắc quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì

Thời gian nạp đối với ắc quy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12C10 mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25C10 và 0,12C10 mất khoảng 7 – 8 giờ Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng.

1.2.4.1.2.2 Nạp với dòng điện giảm dần.

Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25C10 và sau đó 0,12C10 Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưòng hợp nạp với dòng điện không đổi.

1.2.4.1.2.3 Nạp với điện thế không đổi.

Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở chế độ ổn áp Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2 – 2,35V đối với ắc quy chì axít và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp Thời gian nạp vài ngày đêm Trong 10 giờ nạp đầu tiên, ắc quy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp.

1.2.4.1.2.4 Nạp ở chế độ ổn dòng và ổn áp.

Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:

Bước 1: Dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25C10, còn điện thế thay đổi tăng tự do Cho đến khi điện thế ắc quy tăng lên đến 2,2 – 2,35V thì chuyển sang bước 2.

Bước 2: Nạp với điện thế không đổi Việc nạp này được tự động hoá bằng thiết

bị nạp có ổn định điện thế và giới hạn dòng điện -Các chế độ vận hành.

+Chế độ nạp thường xuyên.

Đối với các loại bình ắc quy tĩnh, việc vận hành ắc quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên Ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy tăng lên và chi phí bảo dưỡng cũng được giảm xuống.

Để bảo đảm chất lượng ắc quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành ắc quy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại.

Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì điện thế trên mỗi bình ắc quy là 2,2 ± 0,05V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ắc quy ở trạng thái luôn được nạp đầy.

Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 – 100 mA cho mỗi 100 Ah Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên ắc quy phải được duy trì tự động trong khoảng ±2 %.

Việc phóng thử dung lượng thực tế của ắc quy được tiến hành 1 – 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc quy kém Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3 đến 10 giờ Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của ắc quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng.

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C20 = Ct /(1+0,008 ( t - 20 ) ) Với C20 là dung lượng ở 200C, Ct là dung lượng ở t0C.

+Chế độ phóng nạp xen kẽ.

Ắc quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc quy thường xuyên phóng vào 1 phụ tải nào đó sau khi đã ngưng nạp Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại.

Trường hợp sử dụng ắc quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 C10 Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở phần trên Việc nạp lại nhằm loại trừ việc sun phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tiến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép.

CHƯƠNG 2

CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC

2.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ BUCK 2.1.1 giới thiệu

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

2.1.2 Nguyên lí hoạt động

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:

(T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0 (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0

(T1/T)×Vin = Vout

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/ Vinmin

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

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:

(1 – Dmin)T Vout = 2Lmin Imin

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