Mục tiêu của đề tài
- Củng cố kiến thức về môn học điện tử công xuất,điện tử cơ bản….
- Hiểu rõ được nguyên lý chức năng của mạch điện
- Thiết kế và chế tạo mạch điện đáp ứng tốt những yêu cầu của đề tài bằng việc tính toán và lựa chọn linh kiện.
- Giá thành phù hợp với điều kiện học tập cũng như điều kiện kinh tế của trường nếu muốn nhân rộng mô hình phục vụ đào tạo nhưng vẫn phải đảm bảo Giá thành phù hợp với điều kiện học tập cũng như điều kiện kinh tế của trường nếu muốn nhân rộng mô hình phục vụ đào tạo nhưng vẫn phải đảm bảo tính thẩm mỹ, kỹ thuật và ứng dụng được trong lĩnh vực đào tạo.
Khái niệm về điện tử công suất
- Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bản của ngành Kỹ thuật điện đó là : điện tử,điều khiển và năng lượng điện. Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng cho việc truyền tải và xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình,phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện,truyền tải,phân phối và sử dụng điện năng.
- Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và điều khiển,ngày càng nhiều thiết bị điện tử được sử dụng trong hệ thống truyền tải,biến đổi sử dụng điện năng Hệ thống thiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng-cắt và được gọi là thiết bị điện tử công suất Như vậy điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện tử,điều khiển vào hệ thống năng lượng điện.
Nhiệm vụ về điện tử công suất
Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:
• Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành một chiều (DC- Direct Current): AC-DC.
• Một chiều thành một chiều: DC-DC.
• Một chiều thành xoay chiều: DC-AC.
• Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC.
Ứng dụng về điện tử công suất
a.Các bộ chỉnh lưu có điều khiển
Hình 1 1 Hình ảnh các bộ chỉnh lưu công xuất có điều kiển
Là loại biến đổi AC-DC được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện một chiều, hệ thống mạ và nạp điện
Dưới đây là một ứng dụng của bộ chỉnh lưu trong hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều Sơ đồ khối được trình bày như Hình 1.1.
Hình 1 2 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện 1 chiều
Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là động cơ điện một chiều Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quay trên trục của động cơ thay đổi theo Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động cơ thành tín hiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc độ. Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCR trong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điều chỉnh giữ cho tốc độ động cơ ổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên cả hai mạch
Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay trên Hình 1.1 là một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín được biểu diễn trên hình 1.2
Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín
Trên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace trong đó X(s) là giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, E(s) là độ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) và O(s) là hàm truyền của bộ điều chỉnh và đối tượng trong miền toán tử. b Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiều
Hình 1 4 Hình ảnh thiết bị điều chỉnh dòng,áp DC
Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi DC-DC được trình bày trên Hình 1.3
Hình 1 5 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều
Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo Khi tải hoặc điện áp nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi DC-DC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay của động cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định. c Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều
Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy Các bộ điều chỉnh này còn được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoay chiều có chất lượng không cao nên ít được sử dụng cho các loại tải công suất lớn
Nếu có sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cung cấp nhiệt độ trong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ thay đổi theo góc mở của các Thyristor trong bộ điều chỉnh thay đổi để điện áp và dòng đi qua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định Các bộ điều chỉnh có thể áp dụng cho mạch một pha và ba pha, được trình bày trên Hình 1.3.4
Hình 1 6 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha d Bộ biến đổi ngược
Hình 1 7 Hình ảnh bộ biến đổi ngược trong công nghiệp
Các bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều có tần số ổn định Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống năng lượng điện một chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổn định Sơ đồ khối của hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngược được mô tả trên Hình 1.5
Hình 1 8Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn
Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưu vừa nạp cho ắc quy vừa được lọc phẳng cung cấp cho bộ nghịch lưu DC-AC thành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định Khi mất điện lưới năng lượng được nạp từ ắc quy cung cấp cho tải. e Biến tần
Là bộ biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều từ tần số này sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp được trình bày trên hình 1.6
Hình 1 9 Hình ảnh một số biến tần phổ biến trong công nghiệp
Hình 1 10 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều
Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định được biến đổi thành hệ thống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độ quay động cơ khi tải và điện áp lưới thay đổi. g Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năng
Các bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện năng như các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng, và truyền tải điện một chiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.7
Hình 1 11 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC)
Mạch chuyển đổi một chiều DC-DC
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.
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.
Một số loại nguồn không cách ly
Mạch BUCK converter: Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu vào tức là Vin >Vout.
Mạch BOOT converter: Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào tức là Vin ⅓ Vcc:
Lúc này V+1(V+ OA1) > V-1 Do đó OA1 (ngõ ra của OA1) có mức logic 1(H).
/Q = 0 –> Transistor hồi tiếp lúc này không dẫn
(OA viết tắt: OP – AMP)
Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc -> ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1 Do đó OA1 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, /Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0).
Transistor lúc này vẫn không dẫn
Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1 Do đó OA1 = 0.
/Q = 1 –> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !
Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C Điện áp trên tụ C giảm xuống do do lúc này tụ C đang trong quá trình xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới ⅔ Vcc
Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc
Lúc này, V+1 < V-1 Do đó OA1 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, /Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1).
Tụ C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc:
Lúc này V+1 > V-1 Do đó OA1 = 1.
/Q = 0 –> Transistor không dẫn -> chân 7 ở mức thấp và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là ⅓ Vcc [3]
Một số sơ đồ mạch:
Mạch hẹn giờ từ 1 đến 10 sử dụng ICNE555 (Hình 2.3 )
Hình 2 4 Mạch hẹn giờ từ 1 đến 10 sử đụng NE555
Mạch bắt đầu hoạt động khi SW được gạt lên vị trí ON Đèn LED màu vàng sẽ hiện thị trong khoảng thời gian được cài đặt sẵn.
Khi chu kỳ thời gian hết thì LED màu vàng sẽ tắt đèn LED màu đỏ sẽ bật và kèm theo tiếp còi kêu.
Thời gian cài đặt được thiết lập điều chỉnh bằng biến trở 1Mohm và nó có thể điều chỉnh được từ 1 - 30 phút Để tính toán chính xác thời gian này ta dựa vào công thức tính tần số của 555.
Do tụ điện sử dụng dưới đây là tụ có dung lượng lớn và là tụ hóa nên lượng dò lớn hơn các tụ khác Trong điều kiện này chúng ta chỉ tính tụ này trong khoảng 30% giá trị.
Tính toán với tần số trong mạch điện:
Hình 2 5 hình ảnh khối tạo xung ne555
Ta có biểu thức tính toán thời gian Ton và Toff như sau:
Thời gian đóng căt trên 1 chu kỳ:
Công thức tính tần số khi biết Tck: f 1
Tck Ở mạch điện trên chúng em sử đụng r1=1kΩ, biến trở VR2kΩ và tụ 102 có giá trị là 0.001uf.
Với mạch trên ta có Tck = 8.5 us
Với các tham số trên ta tính đc tần số f ≈10000khz−120000khz
Sử đụng 2 diode xung 1n4118 mắc song song ngược qua 2 đầu của biến trở giúp điều chỉnh trở giữa Ton và Toff tạo ra các độ rộng xung ở các mức khác nhau mà giữu nguyên tần số.
Ct tính độ rộng xung duty: duty=Ton
2.3.2 Khối biến đổi điện áp
IRFZ44N là MOSFET kênh N được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng mục đích chung Transistor này sở hữu khả năng chuyển mạch tốc độ cao, lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng mà chuyển mạch tốc độ cao là yêu cầu quan trọng Nó có khả năng điều khiển tải lên đến 49A và điện áp tải tối đa có thể là 55V Tuy nhiên, dòng xung đỉnh có thể lên đến 160A Điện áp ngưỡng tối thiểu cần thiết để transistor này ở trạng thái mở hoàn toàn là 2V đến 4V Transistor này cũng có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại âm thanh hoặc trong các tầng khuếch đại âm thanh Nó có khả năng cung cấp đầu ra âm thanh tối đa là 94W.
Tính năng / Thông số kỹ thuật
Loại transistor: Kênh N Điện áp tối đa từ cực cống đến cực nguồn: 55V Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V
Dòng xả tối đa liên tục là: 49A
Dòng xả tối đa xung là: 160A
Công suất tiêu tán tối đa là: 94W Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn điện: 2V đến 4V
Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +170 độ C. Để chạy ổn định khi chưa có tản nhiệt: 10 đến 30% công xuất.
Khi lắp tản nhiệt chạy khoảng 30 đến 80% công xuất.
Hình 2 6 Hình ảnh MOSFET IRFZ44N Ứng đụng của Mosfet:
Hệ thống quản lý pin Ứng dụng bộ sạc pin năng lượng mặt trời
Các ứng dụng chuyển mạch nhanh
Nguồn cung cấp năng lượng liên tục
Mạch điều khiển động cơ
Nguồn cung cấp năng lượng liên tục bằng năng lượng mặt trời
Chức năng chính được sử đụng trong mạch:
Vai trò như 1 công tắc đóng cắt khi được cấp xung pwm từ ic ne555 tạo ra dòng điện và điện áp phần ứng trong cuộn cảm.
Mạch điện trên chúng em quyết định lựa chọn irfz44n hoạt động với tần số khoảng 100 đến 120khz và với đuty khoảng (12 đến 15% duty).
Cuộn cảm hình xuyến là một trong những thành phần thường được sử dụng trong các mạch điện tử, Nó chủ yếu được làm bằng dây đồng bằng cách quấn thành hình vòng trên lõi được làm bằng vật liệu khác nhau như bột sắt hoặc ferit.
Hình 2 7 Hình ảnh cuộn cảm lõi xuyến ngoài thực tế
Cuộn cảm hình xuyến được sử dụng trong nhiều ứng dụng như Biến tần năng lượng mặt trời, Ô tô, Cọc sạc, Thiết bị y tế, Bộ nguồn PC, Thiết bị âm thanh nổi, Viễn thông, Điều khiển công nghiệp, Thiết bị lạnh, Ly hợp điện tử, Thiết bị điều hòa không khí và nhiều sản phẩm điện tử.
Chức năng của cuộn cảm trong mạch:
Chế tạo mạch đáp ứng yêu cầu đề tài
Dưới đây là hình ảnh mạch in được thiết kế trên phần mên protuse theo sơ đồ nguyên lý hình (2.1)
Hình 2 9 Hình ảnh mạch in trên phần nềm proteus
Hình ảnh 3d trên phầm mền:
Hình 2 10 Hình ảnh 3d khi thiết kế
2.5.2 Sản phẩm sau khi hoàn thành
Hình 2 11 Mạch điện khi chế tạo xong
Hình ảnh sản phẩm sau khi hoàn thiện
Hình 3 1 Hình ảnh mô hình sản phẩm
Khảo sát sản phẩm
3.2.1Dạng sóng điện áp đầu vào
Hình ảnh điện áp input 5V DC khi hiện trên máy hiện sóng
Hình 3 2 Hình ảnh dạng song điện áp vào
3.2.2 Dạng sóng điện áp đầu ra
Qua hình 3.2 ta nhận thấy đang sóng điện áp ra của mạch tăng áp tương đối ổn định điện áp thực tế khi đo đc băng với điện áp trên đồng hồ và máy hiện sóng.
Hình 3 3 Hình ảnh dạng sóng điện áp đầu ra 24 V DC khi chưa có tải
Hình 3 4 đạng sóng điện áp ra khi mắc thêm tải
3.2.3 Hình ảnh dạng sóng xung Ne 555
Hình 3 5 hình ảnh xung Ne 555
Đánh giá sản phẩm
Chúng em phân tích được các mục tiêu đánh giá như sau:
Thứ nhất: mạch điệm đáp ứng được yêu cầu của đề tài như đúng điện áp ra đáp ứng được tải với tải 1A
Thứ hai: Tính ổn định của mạch điện.
Thứ ba: Tính chính sác của mạch điện.
Chúng gem đánh gia đựa trên bảng sau:
Lần thử nghiệm Lý thuyết Đồng hồ đo Máy hiện sóng Tiêu chí 1 Tiêu chí 2 Tiêu chí 3
Về vấn đề đáp ứng tải 1A chúng em sử đụng đồng hồ để đo dòng khởi động thu được kết quả như sau đòng khởi động do trên đồng hồ do được vào khoảng 0.87A đến 0.9A với động cơ DC545 cơ bản đáp ứng được cho tải 1A theo yêu cầu của đề tài
Kết luận: Sau quá trình thử nghiệm đánh giá chúng em nhận thấy được mạch điện đã cơ bản đáp ứng được yêu cầu cảu đề tài mạch chạy ổn định trong khoảng thời gian dài và sai số khi mạch ổn định khoảng 0.2 dến 0.3V và cơ bản đã đáp ứng được tải 1A.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kết luận
Sau một khoảng thời gian thực hiện đồ án với sự cố gắng nỗ lực của mỗi thành viên trong nhóm cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy Th.S Bùi Thanh Tùng cũng như các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình đến nay đồ án của chúng em đã được hoàn thành đề tài “thiết kế chế tạo thử nghiệm mạch tăng áp từ 5v dc đến 24 v đc” theo đúng thời gian và đã hoàn thành được các nội dung:
Một quyển thuyết minh gồm có:
Chương 1: Tổng quan về điện tử công suất và bộ biến đổi DC-DC.
Chương 2: Tính toán, thiết kế và chế tạo sản phẩm.
Chương 3: Khảo sát và đánh giá sản phẩm.
Hướng pháp triển của đề tài
Đưa đề tài áp đụng được vào thực tiễn đời sống.
Tạo ra mạch Boost áp ở mức điện áp cao và công xuất lớn hơn, hướng tới những úng đụng thiết thực trong đời sống và ngàng công nghiệp điên điện tử và tự động hóa.
Tuy đồ án của chúng em đã hoàn thành xong nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm
Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để đồ án hoàn chỉnh hơn.
Chúng em xin cảm ơn thầy Th.S Bùi Thanh Tùng cũng như các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo chúng em hoàn thành tốt đồ án lần này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!