Khảo sát, thiết kế và thi công bộ điều khiển cho các mạch công suất biến đổi điện áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP GVHD: ThS HOÀNG NGỌC VĂN SVTH: CHÂU TRỌNG LĨNH MSSV: 11941014 SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN MSSV: 11941057 SKL004246 Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2016 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP SVTH: Châu Trọng Lĩnh MSSV: 11941014 Nguyễn Anh Tuấn MSSV: 11941057 GVHD: ThS Hoàng Ngọc Văn Tp Hồ Chí Minh - 02/2016 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 15 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệđào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Bộ điều khiển đa cho mạch công suất biến đổi điện áp sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)và điều chế tần số xung (PFM) Có thể điều khiển cho tất van điện tử dung điện tử công suất Thyristor, GTO Thyristor, MOSFET, mạch Transistor Darlington IGBT Điện áp điều khiển 0-10VDC, chuyển đổi qua lai xung PWM PFM - Thơng số kỹ thuật o Phương pháp PFM:   o  Phạm vi độ rộng xung: 5-50µs/50-500µs/0.5-5ms Tần số: 20Hz-20kHz Phương pháp PWM:  Phạm vi tần số 2-200Hz/0.2-2kHz/2-20kHz Thời gian TON: 0-0.95 thời gian toàn chu kỳ xung o Ngõ cách ly, kiểm tra ngắn mạch trì o Điện áp cấp ±15VDC Nội dung thực hiện: -Nghiên cứu tài liệu mạng, giáo trình -Thiết kế thi cơng mạch -Khảo sát thực mạch đối chiếu với thông số kỹ thuật ban đầu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Châu Trọng Lĩnh Lớp: 119410ĐT Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Anh Tuấn Lớp: 119410ĐT Tên đề tài: Khảo Sát, Thiết Kế Và Thi Công Bộ Điều Khiển Cho Các Mạch Công Suất Biến Đổi Điện Áp Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần 10 Tuần 11 Tuần 12 Tuần 13 GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm tự thực dựa vào thí nghiệm CONTROL UNIT PWM, PFM nước Đức không chép từ tài liệu hay cơng trình có trước LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hồng Ngọc Văn_Giảng viên mơn Cơ Sở Kỹ Thuật Điện Tử tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài hoàn thiện Em xin gởi lời cảm ơn thầy cô Khoa Điện-Điện Tử năm qua dạy cho chúng em kiến thức quý giá, tảng vững để chúng em thực thành cơng đề tài Em xin gửi lờicảm ơn đến bạn lớp 11941ĐTđã chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Người thực đề tài Châu Trọng Lĩnh Nguyễn Anh Tuấn MỤC LỤC CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1.Đặt vấn đề: 1.2 Mục tiêu: 1.3 Giới hạn: 1.4 Nội dung nghiên cứu: 1.5 Bố cục nghiên cứu: CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2.1 Tổng quan điều chế độ rộng xung PWM(Pulse Width Modulation) .3 2.1.1 Nguyên lí hoạt động xung PWM mạch điều khiển 2.1.2 Cách tạo xung PWM 2.1.3 Ứng dụng xung PWM 2.2 Tổng quan điều chế tần số xung PFM (Pulse Frequency Modulation) 2.2.1 Nguyên lý hoạt động xung PFM mạch điều khiển 2.2.2 Cách tạo xung PFM 2.2.3 Ứng dụng 2.3 Tổng quan khuếch đại xung điều khiển 2.3.1 Mạch khuếch đại 2.3.2 Các phƣơng pháp khuếch đại điện áp xung: CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TẠO XUNG PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 3.1 Điều chế xung PWM IC SG3524 3.1.1 IC SG3524 3.1.2 Phƣơng án sử dụng IC SG3524 điều chế PWM: 11 3.2 Điều chế xung PFM sử dụng RC4152 HEF4528B: 12 3.2.1 IC RC4152: 12 3.2.2 IC HEF4528: 14 3.2.3Phƣơng án sử dụng IC RC4152 HEF4528B cho điều chế PFM: .17 3.3 Giải vấn đề băm xung cách ly: 18 3.3.1 Băm xung IC HEF40106 IC MC14011: 18 3.3.2IC đệm dòng ULN2003: 19 3.3.3Sơ lƣợc transistor trƣ 3.3.4Phƣơng án cách ly điện 3.4Nguồn cung cấp: CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM 4.1Yêu cầu thiết kế thí nghiệm: 4.2Phƣơng án thiết kế: 4.2.1Quy cách thiết kế mặt nạ 4.2.2Quy cách kích thƣớc 4.3Phân tích thiết kế khối: 4.3.1Khối nguồn: 4.3.2Khối điều chế độ rộng x 4.3.3Khối điều chế tần số xun 4.3.4Khối băm xung cách 4.4Thiết kế mạch in: 4.4.1Thiết kế mạch in cho kh 4.4.2Thiết kế mạch in cho CHƢƠNG V KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 5.1Kết sản phẩm đề tài: 5.2Kết đo dạng xung ngõ khối điều chế PWM: 5.3Kết đo dạng xung ngõ khối điều chế PFM: CHƢƠNG VI KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1Kết luận: 6.2Hạn chế: 6.3Hƣớng phát triển: TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH Hình Trang Hình 2.1 Giản đồ xung PWM Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xung PWM điều khiển van MOSFET .3 Hình 2.3 Giản đồ xung PWM đóng cắt van MOSFET Hình 2.4 Giản đồ xung PFM Hình 2.5 Xung PFM điều khiển van MOSFET Hình 2.6 Giản đồ xung PFM điều khiển van MOSFET Hình 3.1 Cấu tạo IC SG3524 Hình 3.2 Sơ đồ chân IC SG3524 10 Bảng 3.1 Các thông số IC SG3524 11 Hình 3.3 Mạch điều chế PWM dùng IC SG3524 11 Hình 3.4 Cấu tạo IC RC4152 12 Hình 3.5 Sơ đồ chân IC RC4152 13 Hình 3.6 Cấu tạo IC HEF4528 14 Hình 3.7 Giản đồ xung IC HEF4528 15 Hình 3.8 Sơ đồ chân IC HEF4528 16 Hình 3.9 Mối quan hệ độ rộng xung với giá trị tụ điện 17 Hình 3.10 Cấu tạo IC HEF40106 18 Hình 3.11 Mạch tạo dao động dùng IC HEF40106 18 Hình 3.12 Cấu tạo IC MC14011 19 Hình3.13 Cấu tạo IC ULN2003 19 Hình 3.14 Ký hiệu sơ đồ chân IRF840 20 Hình 3.15 Đặc tính IRF840 làm việc với nguồn kích xung 20 Hình3.16 Cấu tạo biến áp xung 21 Hình3.17 Sơ đồ chân IC LM7810 IC LM7815 21 Hình3.18 Sơ đồ chân IC LM7915 22 Hình 4.1 Mặt nạ thí nghiệm 23 Hình 4.2 Kích thước vỏ hộp thí nghiệm 24 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 24 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung PWM 25 Hình 4.5 Cực thu để hở IC SG3524 26 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung PFM 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.9 Xung khối PWM tần số 2kHZ Thay đổi giá trị điện áp tham chiếu từ 0-10V cách vặn biến trở VR1 ta có dạng xung khối PWM thay đổi nhƣ sau: Hình 5.10 Xung PWM 2kHZ thay đổi độ rộng  Trên hình dao động kí giá trị độ rộng xung t thay đổi từ 40-490µS tƣơng ƣng với giá trị chu kì xung PWM 2kHZ 500µS giá trị tỉ lệ độ rơng xung chu kì thay đổi đƣợc từ 0.08-0.98 Dạng xung PWM 2kHZ sau băm xung cách ly điện áp CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.11 Xung PWM 2kHZ sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung ngõ chân R1, R2 (màu xanh) S1, S2 (màu tím) sau đƣợc băm với tần số 60kHZ cho điện áp đỉnh 30V  Kết xung đo tần số 20kHZ: Thao tác thực vặn công tắc S1 thang X100 vặn biến trở VR2 đến vị trí 200 Ta có dạng xung ngõ khối PWM nhƣ sau: Hình 5.12 Xung khối PWM tần số 20kHZ Thay đổi giá trị điện áp tham chiếu từ 0-10V cách vặn biến trở VR1 ta có dạng xung khối PWM tần số 20kHZ thay đổi nhƣ sau: CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.13 Xung PWM 20kHZ thay đổi độ rộng  Trên hình dao động kí giá trị độ rộng xung t thay đổi từ 4-50µs tƣơng ƣng với giá trị chu kì xung PWM 20kHZ 50µs giá trị tỉ lệ độ rơng xung chu kì thay đổi đƣợc từ 0.08-0.1 Dạng xung PWM 20kHZ sau băm cách ly điện áp Hình 5.14 Xung PWM 20kHZ sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung ngõ chân R1, R2 (màu xanh) S1, S2 (màu tím) sau đƣợc băm với tần số 60kHZ cho điện áp đỉnh 30V Ở tần số cao ta thấy rõ đƣợc tần số xung băm 60kHZ hình dạng xung có tƣợng bị méo đỉnh Kết dùng xung PWM kích cho chuyển đổi điện áp DC-DC: CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 42 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.15 Dùng xung PWM kích cho DC-DC có điện áp 6.1VDC Hình 5.16 Dùng xung PWM kích cho DC-DC có điện áp 27.8VDC  Nhận xét: Xung PWM ngõ kích dẫn đƣợc MOSFET, điện áp ngõ chuyển đổi DC-DC thay đổi theo từ 6.1VDC lên 27.8VDC độ rộng xung PWM thay đổi CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 43 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.3 Kết đo dạng xung ngõ khối PFM  Dạng xung PFM đo đƣợc độ rộng xung 5µs: Thao tác thực vặn công tắc S2 vị trí X1 biến trở VR3 vị trí Dạng xung PFM thu đƣợc: Hình 5.17 Xung khối PFM độ rộng 5µs Dạng xung khối PFM độ rộng xung 5µs sau băm xung cách ly điện áp: Hình 5.18 Xung PFM độ rộng 5µs sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung kênh R1, R2 (màu xanh) dạng xung đảo có xung ngõ vào mức nên nhìn vào dao động kỹ ta thấy xung băm tần số 60kHZ chu kì 16.7µs cịn kênh S1, S2 (màu tím) độ rộng 5µs nên xung bang băm đƣợc CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Dạng xung PFM đo độ rộng xung 50µs: Thao tác thực vặn công tắc S2 vị trí X10 biến trở VR3 vị trí Dạng xung PFM thu đƣợc: Hình 5.19 Xung khối PFM độ rộng 50µs Dạng xung khối PFM độ rộng xung 5µs sau băm xung cách ly điện áp Hình 5.20 Xung PFM độ rộng 50µs sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung ngõ S1, S2 (màu tím) R1, R2 (màu xanh) sau đƣợc băm với tần số 60kHZ có biên độ 30V ngƣợc pha R1, R2 có thời gian T OFF khơng đổi S1, S2 có thời gian TON khơng đổi  Dạng xung PFM đo độ rộng xung 500µs: CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 45 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thao tác thực vặn công tắc S2 vị trí X100 biến trở VR3 vị trí Dạng xung PFM thu đƣợc: Hình 5.21 Xung khối PFM độ rộng 500µs Dạng xung khối PFM độ rộng xung 50µs sau băm xung cách ly điện áp: Hình 5.22 Xung PFM độ rộng 500µs sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung thu đƣợc khối điều chế PFM độ rộng xung 500µs R1, R2 (màu xanh) S1, S2 (màu tím) có biên độ 30V chu kì xung băm 16.6µS ngƣợc pha  Dạng xung PFM đo độ rộng xung 50µs: Thao tác thực vặn công tắc S2 vị trí X100 biến trở VR3 vị trí 50 Dạng xung PFM thu đƣợc: CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.23 Xung khối PFM độ rộng 5ms Dạng xung khối PFM độ rộng xung 50µS sau băm xung cách ly điện áp: Hình 5.24 Xung PFM độ rộng 5ms sau băm xung cách ly điện áp Dạng xung ngõ khối điều chế PFM R1, R2 (màu xanh) S1, S2 (màu tím) có biên độ áp 30V chu kì xung băm 16.6µs lệch pha CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 47 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Kết dùng xung PFM kích cho chuyển đổi điện áp DC-DC: Hình 5.25 Dùng xung PFM kích cho DC-DC có điện áp 5.9VDC Hình 5.26 Dùng xung PFM kích cho DC-DC có điện áp 22.9VDC CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 48 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Nhận xét chung: Xung thí nghiệm phát xung PWM PFM phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu Xung dùng để kích cho chuyển đổi điện áp DC-DC CHƢƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Trang 49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau thực đề tài chúng em hồn thành thí nghiêm phát xung PFM PFM với thông số kỹ thuật, tính nhƣ thiết kế ban đầu Bốn phần đề tài mà chúng em thực thành cơng là:  Thiết kế, thi cơng khối phát xung PWM  Thiết kế, thi công khối phát xung PFM  Thiết kế, thi công khối khuếch đại cách ly điện áp  Thiết kế mặt nạ cho thí nghiệm Chúng em mong với kết đạt đƣợc đề tài chúng em đƣợc ứng dụng vào thực tế 6.2 Hạn chế Do thời gian thực đề tài giới hạn nhƣ tính chất đề tài mạch điện tử tƣơng tự nên đề tài tồn hạn chế nhƣ linh kiện cơng suất bị nóng vận hành, xung ngõ chƣa đƣợc xác tuyệt đối mặt dù độ xác mức chấp nhận đƣợc 6.3 Hƣớng phát triển Đặc thù đề tài chế tạo phát xung phục vụ công tác nghiên cứu giảng dạy nên hƣơng phát triển đề tài tập trung vào ứng dụng thí nghiệm Có thể phát triển thêm thí nghiệm sử dụng nguồn xung từ đề tài để so sánh, kiểm nghiệm hiệu phƣơng pháp điều chế PWM PFM Tuy nhiên để phát triển đề tài đƣa vào ứng dụng cần cải thiện hạn chế nêu CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trang 50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo: [1] Trần Thu Hà, Trƣơng Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lƣỡng, Bùi Thị Tuyết Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dƣơng Thị Cẩm Tú, “Giáo trình Điện Tử Cơ [2] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Kỹ Thuật Xung”, Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật, 2007 [3] Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Trƣờng Duy, “Giáo trình Kỹ Thuật Số”, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2013 [4] Hồng Ngọc Văn, “Giáo trình Điện Tử Cơng Suất”, Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật, 2007 [5] Hoàng Ngọc Văn, “Tài liệu hƣớng dẫn thực hành Điện tử công suất”, Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật, 2011 Tham khảo internet: http://www.leybold-shop.com/control-unit-pwm-pfm-735341.html Datasheet linh kiện tham khảo: [6] Datasheet BD681 [7] Datasheet HEF40106B [8] Datasheet HEF4528B [9] Datasheet IFR840 [10] Datasheet LM7810 [11] Datasheet LM7815 [12] Datasheet LM7915 [13] Datasheet MC14011 [14] Datasheet MUR160 [15] Datasheet RC4152 [16] Datasheet R2M [17] Datasheet S9013 [18] Datasheet SG3524 [19] Datasheet TL084 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP [20] Datasheet ULN2003 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHỤ LỤC PHỤ LỤC Trang 52 ... Thi Công Bộ Điều Khiển Cho Các Mạch Công Suất Biến Đổi Điện Áp? ?? 1.2 Mục tiêu: Nhóm sinh viên thi? ??t kế thi cơng modun điều khiển cho thí nghiệm biến đổi điện áp Modun bao gồm hai khối nhỏ điều chế... ĐỀ TÀI: CÁC MẠCH CƠNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Bộ điều khiển đa cho mạch công suất biến đổi điện áp sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM )và điều chế... nghiệm điều khiển cho mạch biến đổi điện áp Từ gợi ý thầy Hồng Ngọc Văn (giảng viên giảng dạy môn Điện Tử Công Suất Thí Nghiệm Điện Tử Cơng Suất) nhóm định chọn đề tài ? ?Khảo Sát, Thi? ??t Kế Và Thi Công