Xây dựng bộ biến đổi cầu 3 pha nâng áp 1 chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 1.1 NGUỒN XUNG KIỂU 1.2 NGUỒN XUNG KIỂU 1.3 NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL 1.4 BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE 1.5 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN 1.5 Bộ biến đổi DC – DC (DC – DC Converters) 1.5.2.Bộ biến tần 13 CHƢƠNG 2: ẮC QUY VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 15 2.1 MỞ ĐẦU 15 2.1.1.Cấu tạo 15 2.1.2.Các thông số acquy 15 2.2.CÁC LOẠI ẮC QUY 18 2.1 Acquy chì axit 18 2.2.2.Acquy Nickel 19 2.2.3.Acquy Natri 20 2.2.4 Acquy Liti 21 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP SẠC ẮC QUY 22 2.3.1.Phƣơng pháp phóng nạp 22 2.4 VAI TRỊ CỦA ẮC QUY TRONG Ơ TƠ 26 2.5 MOSFET 27 2.5.1.Cấu tạo nguyên lý làm việc 27 2.5.2 Đặc tính MOSFET 32 2.6 GiỚI THIỆU DIODE BÁN DẪN 34 2.6.1 Giới thiệu 34 2.6.2 Cấu tạo 35 2.6.3 Đặc tính Volt-Ampere 37 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC 38 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI 38 3.2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI 38 3.2.1 Các phận biến đổi 39 3.2.2 Nguyên lý hoạt động 39 3.3 TÍNH TỐN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 40 3.3.1 Tính chọn van cho mạch nghịch lƣu 40 3.3.2.Tính chọn diode cho mạch chỉnh lƣu 42 3.3.3 Tính chọn máy biến áp động lực 43 3.4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƢU CẦU BA PHA 46 3.4.1 Thiết kế mạch tạo xung 46 3.4.2 Thiết kế dịch pha số 47 3.4.2.1 Tổng quan flip-flop 47 3.4.2.2 Flip-flop D 48 3.4.2.3 Bộ dịch pha số 50 3.4.3 Thiết kế mạch lái Mosfet 52 3.4.4 IC IR2101 54 3.4.4.1.Sơ đồ chân IR 2101 54 3.4.4.2 Cấu trúc bên IR2101 55 3.4.4.3 Thông số kỹ thuật IR2101 55 3.4.5 Kết mô phần mềm Psim 56 3.5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA PHA NÂNG ÁP MỘT CHIỀU 58 3.5.1 Xây dựng mạch điện Orcad 9.0 58 3.5.2 Mô hình vật lý biến đổi 59 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt, việc sử dụng nhiên liệu làm giảm chất lƣợng môi trƣờng sống Để giảm bớt khí thải độc hại loại phƣơng tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giới nghiên cứu chế tạo loại phƣơng tiện điện thay cho phƣơng tiện thông thƣờng Để sử dụng động điện chiều từ ắc quy, vấn đề quan trọng phải nâng đƣợc điện áp ắc quy để đáp ứng yêu cầu động Giải vấn đề cần biến đổi DC/DC bán dẫn Vấn đề đƣợc giới quan tâm nghiên cứu Trong đồ án em xin trình bày đề tài:” Xây dựng biến đổi cầu pha nâng áp chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô” Bản đồ án em gồm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quát biến đổi Chƣơng 2: Ắc quy linh kiện điện tử Chƣơng 3: Thiết kế xây dựng mơ hình hệ thống biến đổi DC/DC Em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn thầy mơn hồn thành đồ án Do lần em hoàn thành đồ án nên tránh khỏi sai sót, em mong nhận đƣợc bảo tận tình thầy mơn Hải Phịng, ngày 05 tháng 07 năm 2014 Sinh viên thực Phạm Văn Ba CHƢƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Hiện nguồn xung hay nói cách khác nguồn biến đổi DC-DC đƣợc sử dụng phổ biến hầu hết mạch điện hệ thống điện tự động Với ƣu điểm khả cho hiệu suất đầu cao, tổn hao thấp, ổn định đƣợc điện áp đầu đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu với cấp điện áp khác Nguồn xung có nhiều loại khác nhƣng đƣợc chia thành nhóm nguồn : Cách ly khơng cách ly * Nhóm nguồn khơng cách ly : - Boost - Buck - Buck – Boost * Nhóm nguồn cách ly : - flyback - Forward - Push-pull - Half Bridge - Mỗi loại nguồn có ƣu nhƣợc điểm khác Nên tùy theo yêu cầu nguồn mà ta chọn kiểu nguồn xung nhƣ Sau nguyên tắc hoạt động nguồn (bộ nguồn hay dùng thực tế) 1.1 NGUỒN XUNG KIỂU : BUCK Đây kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu nhỏ so với điện áp đầu vào tức Vin 0) chế độ gián đoạn (dịng qua thức cấp 0) 1.3 NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL (ĐẨY- KÉO) Đây dạng kiểu nguồn xung đƣợc truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu nhỏ hay lớn so với điện áp đầu vào Từ điện áp đầu vào cho nhiều điện áp đầu Nó đƣợc gọi nguồn đẩy kéo Xét sơ đồ nguyên lý sau : Hình 1.4: Sơ đồ biến đổi PUSH-PULL Đối với nguồn xung loại Push-Pull dùng tới van để đóng cắt biến áp xung van dẫn nửa chu kì Nguyên tắc gần giống với nguồn flyback Khi A đƣợc mở B đóng cuộn dây Np phía sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía thứ cấp có điện điện áp sinh có cực tính Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải Nhƣ hình vẽ Khi B mở A đóng cuộn dây Np phía dƣới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía dƣới thứ cấp có điện điện áp sinh cực tính Nhƣ hình 1.3.Với việc đóng cắt liên tục hai van ln ln xuất dịng điện liên tục tải Chính ƣu điểm mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao đƣợc dùng nhiều nguồn nhƣ UPS, Inverter Cơng thức tính cho nguồn Push-Pull: Vout = (Vin/2) x (n2/n1) x f x (Ton,A + Ton,B) Với : Vout: Điện áp đầu –V Vin: Điện áp đầu vào - V n2 = Số vòng dây cuộn thứ cấp n1 = Số vòng dây cuộn sơ cấp f = Tần số đóng cắt – Hertz Ton,A = thời gian mở Van A – S Ton,B = Thời gian mở Van B – S Một số lƣu ý dùng nguồn đẩy kéo: +Trong thời điểm khơng đƣợc hai van A B dẫn Mỗi van đƣợc dẫn nửa chu kì Khi van mở van phải đóng ngƣợc lại +Thời gian mở van phải xác, van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn 1.4 BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE (TOÀN CẦU) Với Q1 Q4 dẫn dòng điện qua cuộn sơ cấp đồng thời cảm ứng sang cuộn dây thứ cấp điện áp sinh có cực tính, Q2 Q3 dẫn cuộn dây phía dƣới sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây phía dƣới thứ cấp có điện điện áp sinh cực tính Bộ biến đổi full-bridge thƣờng đƣợc sử dụng cho nguồn lớn 1000 W Hình 1.5: Bộ biến đổi ful-bridge Hình 3.10: Kí hiệu bảng trạng thái flip-flop D Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha dùng flip-flop D 49 Hình 3.12: Bảng trạng thái dạng điện áp mạch dịch pha 3.4.2.3 Bộ dịch pha số Khối có nhiệm vụ gửi xung từ IC555 tới van động lực cách có tính chu kỳ Có nhiều dạng dịch pha, đồ án chọn dịch pha số Sơ đồ mạch dịch pha số nhƣ hình vẽ Trong mạch có sử dụng IC 4013 IC 4081 Đây IC chuyên dụng để tạo loại trễ khác tín hiệu IC 4013 loại vi mạch thuộc họ CM05 có đặc điểm công suất tiêu thụ trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả chống nhiễu cao khả mang tải lớn Cấu tạo gồm có flip-flop loại D Nguồn ni cho IC từ +3V đến +15V Vì tƣơng thích với mức logic thơng thƣờng mức điện áp khuếch đại thuật toán 50 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha số Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy đƣa tín hiệu đầu vào dạng chuỗi xung có tần số 6f đầu nhận đƣợc hệ thống xung có tần số f Vì chuỗi xung từ IC555 có tần số 60kHz đầu nhận đƣợc chuỗi xung có tần số 10kHz Chuỗi xung lệch pha 120 độ điện có chu kỳ nhiệm vụ 50% Nhƣ dùng IC 4013 ta định hình đƣợc nguồn tín hiệu xoay chiều ba pha Đây công việc thuận lợi cho việc khống chế nghịch lƣu Dạng xung đầu đƣợc biểu diễn hình vẽ 51 Hình 3.14: Dạng xung điện áp 3.4.3 Thiết kế mạch lái Mosfet IC IR2101 ic bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi mạch tổ hợp logic mạch nguồn u cầu có ổn định cao Hình 3.15: Sơ đồ mạch lái MOSFET 52 - Sử dụng BOOSTRAP để kích tín hiệu điều khiển từ IC555 phát xung tín hiệu vào cực G kích thơng IRFZ44N - Các điện trở R1, R2, R3, R4, R5, R6 có ảnh hƣởng tới tổn hao công suất điều khiển Các điện trở có giá trị nhỏ làm giảm thời xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất lƣợng trình điều khiển nhƣng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm với tụ ký sinh mosfet Chọn điện trở có giá trị từ 4,7 đến 10 - Dùng mạch kích nhƣ IR2101 cịn có thuận lợi cần nguồn ni cho tất mạch kích (khơng cần giải pháp nhiều biến áp nhỏ hay nhiều nguồn chiều cách ly) - Do tƣơng tác phần tử tụ, cảm mạch nên xung đƣa từ driver vào MOSFET thƣờng có nhiễu, xung cao tần lớn Do điện áp ngƣợc đặt lên van van khóa lớn việc đóng mở van khơng lý tƣởng Vậy vấn đề dập nhiễu xung hỗ trợ mở van cho MOSFET vấn đề quan trọng thiết kế mạch Để dập nhiễu ta thêm mạch snubber song song với van bán dẫn để hạ nhiễu xuống mức an toàn với thiết bị Khi van mở tụ C7 phóng điện qua R12 qua van Dịng điện có đỉnh lớn nhiên thời gian ngắn nên giảm khả phát nhiệt van làm tăng thời gian mở van Thiết kế sử dụng mạch dao động RC Giả sử thời gian đóng cắt lên tục T = = 0.1 msec Do RC phải đáp ứng đƣợc thời gian liên tục tức RC = 0.1 msec Cho C = 0.01uF, sau R = 10ohm 53 Hình 3.16: Chân đơn nghịch lƣu sử dụng MOSFET Với tần số đóng cắt van fsw cơng suất tiêu tán điện trở là: PttR = C.E0.f2sw 3.4.4 IC IR2101 3.4.4.1 Sơ đồ chân IR 2101 Hình 3.17: Sơ đồ chân IR2101 54 3.4.4.2 Cấu trúc bên IR2101 Hình 3.18: Cấu trúc bên IR2101 3.4.4.3 Thông số kỹ thuật IR2101 Bảng 3.1: Thông số IR2101 55 3.4.5 Kết mô phần mềm Psim Sử dụng phần mềm Psim mô biến đổi tăng áp ba pha DC-DC Kết mô đƣợc thể nhƣ sau: Hình 3.19: Sơ đồ mơ nâng áp 56 Hình 3.20: Dạng xung đƣa vào cực G MOSFET Hình 3.21: Dạng sóng điện áp pha phía thứ cấp MBA Hình 3.22: Dạng sóng điện áp dây phía thứ cấp MBA 57 3.5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA PHA NÂNG ÁP MỘT CHIỀU 3.5.1 Xây dựng mạch điện Orcad 9.0 Sử dụng phần mềm chuyên dụng Orcad 9.0 để vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch nâng áp chiều sử dụng ô tô Sơ đồ mạch tạo xung mạch kích MOSFET Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung mạch kích MOSFET 58 Mạch chỉnh lƣu cầu pha dùng diode: Hình 3.24: Sơ đồ mạch chỉnh lƣu cầu 3.5.2 Mơ hình vật lý biến đổi Hình 3.25: Mơ hình biến đổi DC-DC 59 Hình 3.26: Điện áp đầu vào biến đổi 60 Hình 3.27: Điện áp đầu tăng áp Qua mơ hình vật lý ta thấy điện áp đầu vào từ ắc quy 11VDC qua tăng áp cầu pha điện áp đƣợc nâng lên 103VDC Để bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn ta sử dụng cánh tản nhiệt nhôm 61 KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn với nỗ lực thân, em hoàn thành đồ án theo kế hoạch đƣợc giao Trong trình làm đồ án em đạt đƣợc kết sau: Nghiên cứu tổng quan biến đổi DC/DC thực tế Thiết kế xây dựng thành công mơ hình thực nghiệm Ứng dụng rèn luyện kỹ vẽ mạch in phần mềm Orcad 9.2 kỹ hàn chân linh kiện Tuy nhiên khả thời gian có hạn nên bên cạnh kết đạt đƣợc đề tài số hạn chế nhƣ: Chƣa hiển thị đƣợc điện áp đầu Điện áp cơng suất cịn thấp chƣa đạt yêu cầu để cấp cho động ô tô Mạch thiết kế chƣa thực tối ƣu Từ biến đổi cầu pha nâng áp chiều cơng suất nhỏ ta phát triển thành biến đổi có cơng suất lớn, ứng dụng rộng rãi phƣơng tiện sử dụng điện nhƣ: Ơ tơ điện, xe máy điện, xe đạp điện Những vấn đề chƣa thực đƣợc đề tài tiền đề cho sinh viên sau muốn nghiên cứu phát triển cách hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 05 tháng 07 năm 2014 Sinh viên thực Phạm Văn Ba 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất xây dựng TS Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh (2007), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật TS.Trần Văn Thịnh (2008), Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Bính (2000), Điện tử cơng suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Diễn đàn Điện Tử Việt Nam ( www.dientuvietnam.net) Trang tìm kiếm thơng tin (www.google.com) 63 ... tài:” Xây dựng biến đổi cầu pha nâng áp chiều hệ số công suất lớn dùng cho ô tô? ?? Bản đồ án em gồm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quát biến đổi Chƣơng 2: Ắc quy linh kiện điện tử Chƣơng 3: Thiết... 2 .11 : Đặc tính thực tế Diode 37 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC 3. 1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống tăng áp 3. 2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ.. .3. 2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI 38 3. 2 .1 Các phận biến đổi 39 3. 2.2 Nguyên lý hoạt động 39 3. 3 TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 40 3. 3 .1 Tính chọn van cho