Xây dựng bộ băm xung song song bằng ti-ri-sto hoặc IGBT(Boot Choper)

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… Luận văn Xây dựng băm xung song song ti-ri-sto IGBT(Boot Choper) Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI MỞ ĐẦU Ngày tất máy móc thiết bị công nghiệp đời sống phải sử dụng điện năng, dùng hoàn toàn nguồn lượng điện phần lượng điện kết hợp với lượng khác Có nhiều phương pháp sản xuất điện năng, nhiên vấn đề ô nhiễm môi trường nguồn tài nguyên ngày cạn kiệt đòi hỏi người phải tìm phương pháp sản xuất điện Sau khủng hoảng lượng giới năm 1968 1973, lượng điện mặt trời nghiên cứu ứng dụng số nước công nghiệp phát triển Năng lượng điện mặt trời có nhiều ưu điểm nguồn tài nguyên vô tận, không gây ô nhiễm môi trường… Tuy nhiên trình sản xuất điện phụ thuộc nhiều vào thời tiết Thời tiết thay đổi dẫn đến điện áp dàn Pin mặt trời thay đổi Do đó, hệ thống điện mặt trời phải có ổn định điện áp để cung cấp điện cho tải tiêu thụ Nội dung đồ án thiết kế ổn định điện áp sử dụng phần tử bán dẫn tiristor IGBT Trong thời gian thực đồ án, dẫn tận tình GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn cố gắng thân, em hoàn thành đồ án thời hạn giao Tuy nhiên, thời gian có hạn kiến thức hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp thầy cô bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Hoàng Xuân Hiệp Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Mở đầu Hầu tất nguồn lượng mà người sử dụng xét cho xuất phát hay có liên quan tới lượng mặt trời (chỉ trừ lượng nguyên tử, địa nhiệt nhà máy phát điện hoạt động lượng thuỷ triều) Người ta chia nguồn lượng thành nhóm lượng chính: - Năng lượng hoá thạch dầu, than đá hay khí đốt - Năng lượng tái tạo từ nguồn lượng mặt trời, gió Năng lượng mặt trời lượng tạo từ phản ứng nhiệt hạt nhân mặt trời Năng lượng thu dạng sóng xạ điện từ truyền đến trái đất Ở khí đất cường độ xạ mặt trời có giá trị E = 1,367 kW/m² gọi số mặt trời Nhưng qua lớp khí đất, bị hấp thụ tán xạ, nên lượng mặt trời bị giảm khoảng 30% Năng lượng mặt trời dùng chủ yếu để làm ấm bầu khí quyển, vỏ trái đất nước Chỉ có khoảng - % NLMT biến thành lượng gió, khoảng 0,02 – 0, 03 % sử dụng để tạo hợp chất hữu sinh khối Ứng dụng lượng mặt trời bao gồm lĩnh vực: - Thứ công nghệ điện mặt trời: lượng mặt trời biến đổi trực tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn (hiệu ứng quang điện) hay gọi Pin mặt trời Các Pin mặt trời sản xuất điện cách liên tục chừng xạ mặt trời chiếu tới - Thứ hai công nghệ nhiệt mặt trời: lượng mặt trời tích trữ dạng nhiệt thông qua thiết bị thu xạ nhiệt mặt trời Công nghệ nhiệt mặt trời dùng nhiều mục đích khác như: thiết bị đun nước nóng dùng lượng mặt trời, bếp nấu dùng lượng mặt trời, thiết bị chưng cất nước dùng lượng mặt trời, động Stirling chạy lượng mặt trời… Footer Page of 126 Header Page of 126 Năng lượng mặt trời có ưu điểm như: nguồn nhiên liệu vô tận, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, việc sử dụng lượng mặt trời góp phần thay nguồn lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, coi nguồn lượng quý giá, thay dạng lượng cũ ngày cạn kiệt 1.2 Hệ thống điện mặt trời 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời Không hệ lượng khác, “nhiên liệu” máy phát điện xạ mặt trời, thay đổi phức tạp theo thời gian, theo địa phương phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết… nên với tải điện yêu cầu, có số thiết kế khác tùy theo thông số riêng hệ Vì vậy, nói chung không nên áp dụng hệ thiết kế mẫu dùng cho tất hệ thống điện mặt trời Hệ thống điện mặt trời hệ thống bao gồm số thành phần như: pin mặt trời (máy phát điện), tải tiêu thụ điện, thiết bị tích trữ lượng thiết bị điều phối lượng… Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời Trong hai thành phần quan tâm dàn pin mặt trời acquy Đây hai thành phần hệ thống chiếm tỷ trọng lớn chi phí hệ thống điện mặt trời Cùng phụ tải tiêu thụ có Footer Page of 126 Header Page of 126 nhiều phương án lựa chọn hệ thống điện mặt trời, dung lượng dàn pin mặt trời acquy có quan hệ tương hỗ sau: - Tăng dung lượng acquy giảm dung lượng dàn pin mặt trời - Tăng dung lượng dàn pin mặt trời giảm dung lượng acquy Tuy nhiên, lựa chọn dàn pin mặt trời nhỏ acquy bị phóng kiệt luôn bị “đói”, dẫn đến hư hỏng Ngược lại dung lượng dàn pin mặt trời lớn gây lãng phí lớn Do phải lựa chọn thích hợp để hệ thống có hiệu cao Các khối hệ thống gây tổn hao lượng Vì cần lựa chọn sơ đồ khối cho số khối hay thành phần hệ Ví dụ, tải thiết bị 12VDC (đèn 12VDC, radio,…) không nên dùng biến đổi điện Trong thực tế có hệ thống điện mặt trời nằm tổ hợp hệ thống lượng, gồm hệ thống điện mặt trời, máy phát điện gió, máy phát diezen… Trong hệ thống đó, điện từ hệ thống mặt trời hòa vào lưới điện chung tổ hợp hệ thống Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống điện mặt trời nối lưới Hình1.3 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời gia đình Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.2 Pin mặt trời Pin mặt trời phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi điện quang Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc bán dẫn PN lượng ánh sáng bíến đổi thành lượng dòng điện chiều Hiện tượng gọi hiệu ứng quang điện ứng dụng để chuyển đổi lượng mặt trời thành điện Trong công nghệ quang điện, người ta sử dụng modun pin mặt trời mà thành phần lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại N loại P Hình 1.4 Nguyên lý cấu tạo Pin mặt trời Footer Page of 126 Header Page of 126 Hình 1.5 Modun Pin mặt trời Hiệu suất biến đổi quang điện modun Pin mặt trời Si thương mại khoảng 11-14% Công nghệ sản xuất điện hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường 1.2.3 Acquy Acquy hệ thống điện mặt trời dùng để tích trữ lượng điện làm nguồn điện cung cấp cho thiết bị điện, trì ổn định liên tục cho hệ thống điện mặt trời Hình 1.6 Bộ acquy Footer Page of 126 Header Page of 126 Acquy nguồn lượng có tính chất thuận nghịch: tích trữ lượng dạng hoá giải phóng lượng dạng điện Quá trình acquy cấp điện cho mạch gọi trình phóng điện, trình acquy dự trữ lượng gọi trình nạp điện Các tính acquy: -Sức điện động lớn, thay đổi phóng nạp điện -Năng lượng điện nạp vào bé lượng điện mà acquy phóng -Điện trở acquy nhỏ Nó bao gồm điện trở cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến ngăn cách ngăn cực Thường trị số điện trở ăc-quy nạp điện đầy đến 0.0015 0.001 ăc-quy phóng điện hoàn toàn 0.02 đến 0.025 Có hai loại acquy acquy a-xit (hay gọi acquy chì) acquy kiềm Trong acquy a-xit dùng phổ biến rộng rãi 1.2.4 Bộ điều khiển trình nạp phóng điện Bộ điều khiển thiết bị điện tử có chức kiểm soát tự động trình nạp phóng điện acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái acquy thông qua hiệu điện điện cực Hình 1.7 Bộ điều khiển nạp phóng điện Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Các thông số kỹ thuật cần quan tâm - Ngưỡng điện cắt Vmax giá trị hiệu điện hai cực acquy nạp điện đầy, dung lượng đạt 100% Khi tiếp tục nạp cho acquy acquy bị đầy, dung lượng acquy bị sôi dẫn đến bay nước làm hư hỏng cực Vì có dấu hiệu acquy nạp đầy, hiệu điện cực acquy đạt đến V = Vmax điều khiển tự động cắt hạn chế dòng điện nạp từ dàn pin mặt trời Sau hiệu điện acquy giảm xuống giá trị ngưỡng, điều khiển lại tự động đóng mạch nạp - Ngưỡng cắt Vmin giá trị hiệu điện hai cực acquy acquy phóng điện đến giá trị cận dung lượng acquy (ví dụ, acquy chì – axit, acquy lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng acquy bị phóng điện kiệt, dẫn đến hư hỏng acquy Vi vậy, điều khiển nhận thấy tín hiệu điện acquy V < V tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau đó, hiệu điện acquy tăng lên giá trị ngưỡng, điều khiển tự động đóng mạch nạp lại Đối với acquy chì – axit, hiệu điện chuẩn cực bình V = 12V, thông thường người ta chọn Vmax = (14 ÷ 15,4)V, Vmin = (10,5 ÷ 11)V - Điện trễ ΔV giá trị khoảng điện (hiệu số) giá trị điện cắt hay cắt điện đóng mạch lại điều khiển, tức là: ΔV = Vmax – Vd hay ΔV = Vmin – Vd Với Vd giá trị điện đóng mạch trở lại điều khiển Thông thường ΔV = (1 ÷ 2)V - Công suất P điều khiển thông thường nằm khoảng 1,3 PL < P < PL Trong PL tổng công suất tải có hệ nguồn, PL = ∑Pi i = 1, 2, 3, … , n Hiệu suất biến đổi phải cao tốt, phải đạt giá trị lớn 85% Footer Page 10 of 126 Header Page 51 of 126 Mạch tích phân mạch mà điện áp đầu tỷ lệ với tích phân với điện áp đầu vào t U k U vào dt Trong k hệ số khuếch đại Ta có dòng điện qua trở R dòng điện nạp cho tụ C7 để tạo điện áp Ura theo hướng giảm dần Iv = Ic hay C dU dt U ph U dat R t (U ph U dat )dt U RC Nên U Ura0 điện áp đặt tụ thời điểm t = (là số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) t U U Với (U ph U dat )dt U dat RC (U ph U dat ).t U dat RC gọi số thời gian mạch tích phân Hình 3.7 Điện áp từ khâu so sánh tích phân Footer Page 51 of 126 50 Header Page 52 of 126 3.3.6 Khâu dao động đa hài tạo xung vuông 3.3.6.1 Cổng NAND Trước vào phân tích nguyên lý hoạt động mạch dao động đa hài tạo xung vuông sử dụng cổng NAND, ta tìm hiểu khái quát cổng NAND Kí hiệu , sơ đồ NAND Hình 3.8 Cổng NAND Quy ước kí hiệu giá trị đầu NAND 1/A.B Nhìn hình a ký hiệu cổng NAND sơ đồ mạch Nó có đầu vào đầu giá trị đầu phủ định tích đầu vào A B (Y = 1/A.B) tương tự hàm NOR hầm hiểu phủ điịnh hàm AND Cấu tạo cổng khác so với cổng khác hẳn diode điện trở kết hợp với transitor Cách lớp kiểu sơ đồ lắp theo hình c.Nên nhớ BJT kênh N Và nguyên tắc hoạt động sau: Nếu A = B = Như hai diode D1 D2 phân cực nghịch không dẫn dòng D3 lại dẫn dòng từ nguồn vào Baze làm cho BJT phân cực thuận mở hoàn toàn BJT nên dòng điện lại từ nguồn qua Colector xuống Emiter xuống đất làm cho đầu 1/A.B điện áp nên 0V Footer Page 52 of 126 51 Header Page 53 of 126 Nếu trường hợp A=B=0 A=1,B=0 hay B=1, A=0 lúc hai diode D1 D2 phân cực trường hợp nên dòng điện từ nguồn qua hai diode D1 D2 xuống đất => dòng điện qua D3 BJT không phân cực khóa hoàn toàn BJT nên đầu 1/A.B =1 Hình b bảng biểu diễn trị vào NAND Hình d bảng xung đầu vào đầu NAND Hình 3.9 Cổng NAND 4011 b)Mạch dao động đa hài tạo xung vuông Mạch dao động lấy tín hiệu điều khiển từ khâu so sánh, sau đưa để điều chỉnh hoạt động đèn công suất xuất theo hướng ngược lại, điện áp tăng => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất dẫn giảm =>điện áp giảm xuống Ngược lại điện áp giảm => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất lại dẫn tăng => điện áp tăng lên =>>kết điện áp đầu không thay đổi Footer Page 53 of 126 52 Header Page 54 of 126 Hình 3.10 Mạch dao động đa hài tạo xung vuông Nguyên lý hoạt động khâu sau: Khi mức logic đặt vào ngõ vào U3:D = ngõ U3:B = (hay Ura = 12 V) Tín hiệu ngõ U3:B phản hồi qua transistor Q2, qua trở R4 nạp cho tụ C6 Khi tụ C6 nạp đầy (Umax >= 6V) tụ bắt đầu xả U3:D = dẫn tới U3:B = Việc thay đổi tần số phóng nạp tụ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển transistor Q2 Nếu Udk lớn, thời gian phóng nạp tụ nhanh làm cho tần số băm xung tăng ngược lại R5: Điện trở phân dòng có công suất vô lớn 3.3.7 Khâu tạo trễ Để đảm bảo chắn hai van thẳng hàng không dẫn, ta thêm vào trước cặp van Q1 Q3 khâu tạo trễ Sơ đồ: Hình 3.11 Khâu tạo trễ Footer Page 54 of 126 53 Header Page 55 of 126 Các cổng logic chạy họ CMOS với nguồn cung cấp 12V Nguyên lý làm việc: Hình 3.12 Sơ đồ điện áp sau khâu tạo trễ Thời gian trễ xây dựng ttrễ = 0,693.R4.C6 Để mạch làm việc an toàn ta phải có ttrễ toff van 3.4 Thiết kế nguồn nuôi cấp cho mạch điều khiển Ta cần tạo nguồn điện áp 12 (V) để nuôi IC đồng thời làm nguồn điện đóng mở transistor, tạo điện áp đặt mạch điều khiển 3.4.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.13 Nguồn nuôi cấp cho mạch điều khiển Footer Page 55 of 126 54 Header Page 56 of 126 3.4.2 Nguyên lý hoạt động Mạch điện gồm phần sau : Hạ áp, chỉnh lưu, lọc, ổn áp Nguồn điện xoạy chiều 220VAC-50Hz qua biến áp hạ áp xuống 24VAC - 1A qua chỉnh lưu nhằm biến đổi xoay chiều thành chiều Thành phần chiều có độ gợn nên phải qua lọc C để san phảng điện áp gợn cho điện áp chiều Sau điện áp chiều qua ổn áp 7812 cho điện áp ổ a) Hạ áp : Ở biến đổi điện áp lưới 220VAC - 50Hz xuống 24VAC - 1A Mục đích cấp đầy vào cho biến đổi lọc để có điện áp chiều mong muốn b) Chỉnh lƣu: Thành phần chỉnh lưu biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu chiều thông qua diode chỉnh lưu Đây sơ đồ chỉnh lưu chu kì với dạng sóng đầu vào đầu sau chỉnh lưu sau: Hình 3.14 Dạng điện áp vào sau chỉnh lưu Dạng điện áp sau chỉnh lưu sóng nhấp nhô núi dạng điện áp coi điện áp chiều chưa ổn định c) Thành phần lọc: Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Tụ C3 C4 lọc thành phần cao tần Dạng điện áp sau qua lọc Footer Page 56 of 126 55 Header Page 57 of 126 Hình 3.15 Dạng điện áp sau chỉnh lưu sau lọc Dựa vào nguyên tắc phóng nạp tụ điện mà cho dòng điện chiều thằng hình vẽ Tụ lớn độ gợn điện áp giảm Những sóng có tần số cao tần phải lọc nhờ tụ C2 C4 mạch dùng IC tồn thành phần gây sai sót khó phát làm cho mạch hoạt động không bình thường Qua lọc ta tạo điện áp chiều cấp vào cho biến đổi đổi ổn áp d) Bộ ổn áp Hình 3.16 Hình dạng cấu tạo IC 87XX + Dòng họ 78xx cho nhiều loại ổn áp điện khác : 7805 ổn áp 5V, 7806 cho ổn áp 6V Footer Page 57 of 126 56 Header Page 58 of 126 + Điện áp đầu vào họ 78xx điện áp chiều max