Luận văn thiết kế và chế tạo bộ biến đổi nguồn DC DC có cách ly biến áp công suất 2KW

luận văn

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ----------      ---------- TRẦN ðÌNH TOÀN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ðỔI NGUỒN DC-DC CÓ CÁCH LY BIẾN ÁP CÔNG SUẤT 2KW LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : Mã số : Người hướng dẫn khoa học:TS. LƯU HỒNG VIỆT HÀ NỘI - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, của riêng tôi và chưa từng ñược ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tôi cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2011 Người cam ñoan Trần ðình Toàn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và thực hiện ñề tài luận văn tốt nghiệp, ñến nay tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn với ñề tài: “Thiết kế và chế tạo bộ biến ñổi nguồn DC- DC có cách ly biến áp công suất 2KW” Trước hết, Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ñào tạo Sau ðại học, Khoa Cơ ðiện, Bộ môn ðiện kỹ thuật, Trường ðại học Nông Nghiệp – Hà Nội ñã tận tình giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ñề tài nghiên cứu khoa học. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lưu Hồng Việt – người ñã ñịnh hướng, chỉ bảo và hết lòng tận tụy, dìu dắt tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu ñề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến những người thân trong gia ñình, bạn bè và ñồng nghiệp ñã ñộng viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Nếu không có những sự giúp ñỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản thân tôi sẽ không thể thu ñược những kết quả như mong ñợi. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2011 Người cảm ơn Trần ðình Toàn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục bảng v Danh mục hình vi Danh mục viết tắt vii 1. MỞ ðẦU 1 1. Tính cấp thiết của ñề tài. 1 2. Mục ñích nghiên cứu. 2 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu. 2 4. Phương pháp nghiên cứu. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2 Chương I TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ðỔI DC -DC 4 1.1 Phân loại sơ ñồ biến ñổi DC- DC 4 1.1.1. Sơ ñồ biến ñổi DC- DC không cách ly 4 1.1.2. Sơ ñồ biến ñổi DC- DC có cách ly 4 1.2. Một số sơ ñồ biến ñổi DC- DC thông dụng 5 1.2.1. Sơ ñồ biến ñổi Buck 5 1.2.2. Sơ ñồ biến ñổi Boots 6 1.2.3. Sơ ñồ biến ñổi Bouck- Boots 7 1.2.4. Sơ ñồ biến ñổi FlyBack 7 1.2.5. Sơ ñồ biến ñổi Push- Pull 8 1.2.6. Sơ ñồ biến ñổi Half- Bridge 9 1.2.7. Sơ ñồ biến ñổi Full- Bridge 11 1.3. Lựa chọn sơ ñồ nguyên lý. 11 Chương II: XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ. 16 2.1. Mô hình hoá hệ thống trong miền liên tục 16 2.2. Mô hình hoá hệ thống trong miền Z 20 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 2.3. Xây dựng bộ ñiều khiển số. 23 Chương III : THIẾT KẾ VÀ THỰC THI BỘ BIẾN ðỔI DC- DC. 27 3.1 Thiết kế phần cứng 27 3.1.1 Giải pháp thiết kế 27 3.1.2. Khối ñiều khiển. 28 3.1.3. ðối tượng ñiều khiển. 30 2.1.4. Khối ño và bảo vệ. 45 3.2. Thiết kế phần mềm. 50 3.2.1. Lưu ñồ thuật toán chương trình chính. 50 3.2.2. Lưu ñồ thuật toán chương trình ngắt ADC. 51 3.2.3 Lưu ñồ thuật toán chương trình ngắt timer. 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v DANH MỤC BẢNG Bảng 1 : So sánh chỉ tiêu chất lượng cho bộ biến ñổi DC-DC 12 Bảng 2.1 : Datasheet IR2110 31 Bảng 3.2 : Datasheet IRF P90N20D . 35 Bảng 3.3 : Datasheet MUR 1660 44 Bảng 3.4 : Bảng thông số kĩ thuật tương ứng theo cách ñấu dây của LA25- NP 47 Bảng 3.5 : Bảng thông số kĩ thuật của biến dòng LAH 25- NP 48 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Buck 5 Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Boots 6 Hình 1.3: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Buck- Boots 7 Hình 1.4: Sơ ñồ nguyên lý mạch biến ñổi FlyBack 8 Hình 1.5: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Pusk- Pull 9 Hình 1.6: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Half- Bridge 10 Hình 1.7: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Full- Bridge 11 Hình 1.8: Giản ñồ xung ñiều khiển mở các vankiểu bù . 13 Hình 1.9: Giản ñồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha 14 Hình 2.1: Mô hình hóa bộ biến ñổi DC-DC 16 Hình 2.2: Sơ ñồ nguyên lý của bộ biến ñổi dc-dc dạng full-bridge 16 Hình 2.3: Giản ñồ thời gian xung ñiều khiển các van dạng phase-shifted và ñiện áp bên sơ cấp biến áp. 17 Hình 2.4: Sơ ñồ rút gọn khi 0 t α < < . 18 Hình 2.5: Sơ ñồ rút gọn khi / 2t T α ≤ ≤ . 18 Hình 2.6: Dạng sóng ñiện áp sau chỉnh lưu. 19 Hình 2.7: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển 22 Hình 2.8: Sơ ñồ mô phỏng hệ thống simulink. 24 Hình 2.9: Tín hiệu ra khỏi bộ ñiều khiển. 25 Hình 2.10: Tín hiệu ñiều khiển ñi vào ñối tượng 25 Hình 2.11: ðồ thị tín hiệu ra khi có khâu hạn chế. 26 Hình 3.1 : Sơ ñồ khối của hệ thống 27 Hình 3.2 : Sơ ñồ chân vi ñiều khiển dsPIC30F2020 29 Hình 3.3 : Sơ ñồ cấu trúc khối ñiều khiển 29 Hình 3.4 : Sơ ñồ cấu trúc ñối tượng ñiều khiển 30 Hình 3.5 : Sơ ñồ nguyên lý ghép nối của IR2110. 31 Hình 3.6 : Sơ ñồ khối cấu trúc IR2110. 32 Hình 3.7 : Sơ ñồ nguyên lí mạch cầu FET. 34 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii Hình 3.8: Một số dạng mạch snubber 36 Hình 3.9 : Sơ ñồ biến ñổi xung áp song song 36 Hình 3.10 : Dạng dòng ñiện và ñiện áp trên van khi tính ñến các thành phần ñiện cảm và tụ ký sinh trong sơ ñồ. 37 Hình 3.11 : Mạch snubber sử dụng RC 37 Hình 3.12: Mạch snubber RCD 38 Hình 3.13: Quan hệ dòng áp theo giá trị tụ C s 39 Hình 3.14: Tổn hao của mạch theo tỷ số / s n C C 40 Hình 3.15: Kích thước và thông số của lõi ferrit E55. 42 Hình 3.16: Bộ lọc một chiều 44 Hình 3.17: Mạch ño áp 46 Hình 3.18: Mạch ño dòng sử dụng LA25-NP 47 Hình 3.19: Mạch bảo vệ sử dụng LAH 25-NP 49 Hình 3.20: Lưu ñồ của chương trình chính 50 Hình 3.21: Lưu ñồ thuật toán cho ngắt ADC 51 Hình 3.22: Lưu ñồ thuật toán cho ngắt Timer 52 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 1 1. MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài. Hiện nay vấn ñề năng lượng và môi trường là vấn ñề rất quan trọng trong ñời sống sản xuất và phát triển kinh tế xã hội trên toàn cầu. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người ñã sử dụng ñược những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thuỷ triều…ở Việt Nam hiện nay cũng ñã bắt ñầu sử dụng những nguồn năng lượng này trong việc giải quyết bài toán năng lượng quốc gia. Những nguồn năng lượng trên ñã cung cấp một lượng năng lượng lớn ñáp ứng nhu cầu của con người. Nhưng chúng mới ñược sử dụng một phần rất nhỏ, chưa ñược khai thác triệt ñể tiềm năng sẵn có của nó. Nguồn ñiện tạo ra từ những nguồn năng lượng này là nguồn một chiều nên nó có khả năng lưu trữ ñiện năng lâu dài trong các thiết bị lưu trữ như ắc- quy, pin…Do vậy nguồn ñiện ñó thường có biên ñộ cố ñịnh, không ñược ñiều khiển. Vì thế gặp rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp nguồn ñiện cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, truyền thông . Mặt khác, hiện nay do nhu cầu về năng lượng ñiện của con người ngày càng tăng, việc ñầu tư cho hệ thống lưới ñiện lại ñòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng quá tải, thiếu hụt ñiện năng và chất ñiện năng suy giảm. ðiều này ảnh hưởng trực tiếp tới các thiết bị dùng ñiện. ðặc biệt, ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ các thiết bị ñiện tử nhạy cảm như hệ thống thông tin, ñiều khiển trong công nghiệp. Ngoài ra, nếu xảy ra tình trạng mất ñiện làm cho các thiết bị ngừng hoạt ñộng , không những gây tổn thất không nhỏ về mặt kinh tế cho các doanh nghiệp và nhà nước còn ảnh hưởng ñến tính mạng của con người khi sử dụng các máy móc hiện ñại ñể ñiều trị trong y học. Vấn ñề ñặt ra là làm sao biến ñổi nguồn ñiện một chiều không ñược ñiều khiển thành nguồn ñiện cò thể ñiều khiển ñược ñáp ứng yêu cầu thực tế, vì những lý do trên mà ñề tài “Thiết kế và chế tạo bộ biến ñổi nguồn DC- DC có cách ly biến áp công suất 2KW” ñược ñặt ra và thực thi. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 2 2. Mục ñích nghiên cứu. Nghiên cứu và thiết kế bộ biến ñổi DC- DC có thể biến ñổi những nguồn ñiện một chiều từ các thiết bị lưu trữ như pin, ắc- quy…thành nguồn ñiện một chiều có ñiều khiển với biên ñộ ñiện áp mong muốn. Tác giả ñã thiết kế một biến ñổi số DC- DC có tích hợp các giải pháp ñiều khiển, với ñầu vào là nguồn một chiều 48V, ñầu ra là nguồn một chiều 400V, công suất ñầu ra là 2 KW. 3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp ñể thực hiện bộ biến ñổi DC- DC nhưng ñối tượng nghiên cứu của ñề tài là bộ biến ñổi DC - DC tăng áp. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về phương pháp biến ñổi nguồn DC - DC. - Nghiên cứu lý thuyết bộ ñiều khiển số. - Nghiên cứu phần mềm ñiều khiển. - Tính toán chế tạo biến áp xung. - Thực thi bộ biến ñổi DC- DC. 4. Phương pháp nghiên cứu. Các kết quả lý thuyết của ñề tài thu ñược trên cơ sở nghiên cứu phân tích các bộ ñiều khiển tuyến tính, ñiều khiển số, các kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab- Simulink, phần mềm lập trình ñiều khiển C, các ñặc ñiểm của dòng vi ñiều khiển ds pic30F2020. Sản phẩm ñề tài tạo ra thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm chế tạo Biến áp xung, mạch cầu biến ñổi dùng FET, một số mạch phụ trợ khác. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ñất nước, từ công nghiệp ñến nông thôn thì nhu cầu sử dụng ñiện năng vào ñời sống và sản xuất ngày càng nhiều trong khi nguồn ñiện năng sản xuất ra lại không ñủ ñáp ứng. Mặt khác nguồn tài nguyên thiên nhiên ñể cung cấp cho các nhà máy ñiện hiện tại ngày các cạn kiệt vì vậy ñòi hỏi phải sử dụng các nguồn năng lượng khác ñể sản xuất ñiện (gió, năng lượng mặt trời, ñịa nhiệt ). ðề tài ñược ứng dụng và là một bộ phận quan trọng trong các nhà máy . với ñề tài: Thiết kế và chế tạo bộ biến ñổi nguồn DC- DC có cách ly biến áp công suất 2KW Trước hết, Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ñào tạo Sau ðại học,. VỀ CÁC BỘ BIẾN ðỔI DC -DC 4 1.1 Phân loại sơ ñồ biến ñổi DC- DC 4 1.1.1. Sơ ñồ biến ñổi DC- DC không cách ly 4 1.1.2. Sơ ñồ biến ñổi DC- DC có cách ly 4