Thiết kế khối công suất

1. 5 Bố cục

3.2. Thiết kế khối công suất

Khối cơng suất có chức năng chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành xoay chiều để cung cấp cho biến tử siêu âm. Do đó, khối cơng suất chính là một mạch nghịch lưu 1 pha. Vì vậy có thể sử dụng các dạng mạch nghịch lưu 1 pha nguồn đơi (hình 3.2 a), mạch nghịch lưu 1 pha máy biến áp có điểm giữa (hình 3.2 b) hoặc mạch nghịch lưu cầu 1 pha (hình 3.2 c).

Hình 3.2: Các dạng mạch nghịch lưu có thể sử dụng trong khối cơng suất

Trong các sơ đồ trên đều có sử dụng máy biến áp vì điện áp sử dụng là điện áp 1 pha 220V nên khi chỉnh lưu chỉ có áp DC là 310V vì vậy sau khi nghịch lưu cần tăng áp lên 1000V ứng với điện áp làm việc của biến tử siêu âm. Với mạch ở hình 3.2 a và b số khóa chuyển mạch chỉ là 2 khóa nên sẽ tiết kiệm chi phí cho các khóa chuyển mạch. Tuy nhiên với sơ đồ 2 nguồn sẽ phải tốn thêm chí phí cho nguồn DC thứ 2. Trong khi đó với sơ đồ sử dụng biến áp có điểm giữa thì máy biến áp có cuộn sơ cấp lớn gấp đơi so với máy biến áp ở hình 3.2 c. Đặc biệt với 2 sơ đồ ở hình 3.2 a và b việc điều chỉnh biên độ sóng điện áp là cực kỳ khó khăn trong khi đó với sơ đồ ở hình c việc này thực hiện khá đơn giản nếu áp dụng đủ các trạng thái trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Trạng thái kích mạch nghịch lưu hình 3.2 c Stt T1 T2 T3 T4 Vout Stt T1 T2 T3 T4 Vout 1 1 0 1 0 0 2 1 0 0 1 VDC 3 0 1 0 1 0 4 0 1 1 0 - VDC

Kết luận Nhóm quyết định chọn mạch nghịch lưu cầu 1 pha ở hình 3.2 c.

Thiết kế biến áp xung

Việc tính tốn thiết kế máy biến áp xung không được giảng dạy trong trường đại học. Do đó, Nhóm đã thực hiện tham khảo tài liệu từ các bài báo quốc tế trong số

in LCC Resonant Converter” của các tác giả Jun Liu, Licheng Sheng và tài liệu “Section 4 – Power Transformer Design” của hãng Tesxas instrument. Việc tính tốn thực hiện theo các bước sau:

Tính chọn lõi (kích thước) với cơng suất và tần số làm việc suy ra tiết diện lõi. Do chúng ta sử dụng sơ đồ nghịch lưu cầu nên có thể sử dụng các lõi ferite loại D thuộc họ ETD có bán ở thị trường Việt Nam. Tiết diện lõi và tiết diện cửa sổ dây quán được xác định theo (3.1)

( ) ⁄ (cm4) (3.1)

Trong đó AW và AE là tiết diện cửa sổ dây quấn và tiết diện lõi máy biến áp (cm2); PO là cơng quất ra có giá trị là 100W; K là hệ số mạch nghịch lưu, với nghịch lưu dạng cầu thì K có giá trị 0.17 và cuối cùng fS là tần số sóng siêu âm tạo ra. Với các giá trị từ yêu cầu ban đầu xác định được tích AW.AE là 0,34. cm4 .Tra kết quả này với thông số kỹ thuật họ lõi ETD cho thấy có thể chọn lõi ETD39 với tiết diện AE là 125mm2.

Tính tốn cuộn dây máy biến áp. Các thơng số tính tốn là cơng suất PO =100w, Vin=310V, Vout=1000v, f=28KHz, chọn Bmax=1500 Gauss (1T = 10000Gauss. Trong một số tài liệu, người ta chọn Bmax= 0.2 đến 0.3T) [12][13]

N sơ cấp=

=

= 147,6 ~ 148 vịng.

AE: Diện tích mặt cắt hiệu dụng của lõi, tính theo cm2. Đối với lõi ETD39 trong datasheet ta có Ae=125mm2.

N thứ cấp=

= 477 ~ 480 vịng.

Tính tốn tiết diện dây quấn: Để có thể chọn được dây quấn biến áp ta cần tính được dịng điện qua tải, cùng với mật độ dịng điện của dây dẫn. ta có thể dùng cơng thức sau để tính tốn giá trị gần đúng:

Trong đó:

S là tiết diện dây dẫn, tính bằng mm2

I: là dòng điện chạy qua mặt cắt vng, tính bằng ampere (A). J: Mật độ dịng diện cho phép (A/mm2).

Mật độ dòng điện cho phép của dây đồng J ~ 6A/ mm2. Tương đương 1.3 kW/ mm2 đối với dây đồng.

Ta có cơng suất tải phía Thứ cấp P =100W, U= 1000V.  I = P/U = 100/1000 = 0.1 A. Theo công thức (3.2) S = I/J = 0.1 / 1.3 = 0.77 (mm2 ). Mặt khác: S = => D = √ = √ = 0.32 mm. (chon D = 0.4 mm) Ta có cơng suất tải phía sơ cấp biến áp P =100W, U= 310 V.  I = P/U = 100/310 = 0.32 A.

Theo công thức (3.2)

S = I/J = 0.1 / 1.3 = 0.77 (mm2 ). Mặt khác theo (3.3)

S = => D = √ = √ = 0.56 mm. (chon D = 0.6 mm) Vậy ta chọn tiết diện dây quấn biến áp phía sơ cấp : D sơ cấp: 0.6 mm.

D thứ cấp: 0.4 mm.

Kết quả tính tốn máy biến áp: Lõi ETD39, số vịng sơ cấp là 148 vòng và số vòng thứ cấp là 480 vòng; tiết diện dây là 0.6 mm (sơ cấp) và 0.4 mm (thứ cấp).

Tính chọn khóa cơng suất:

Các khóa trong mạch nghịch lưu có thể sử dụng BJT, FET hoặc IGBT. Với IGBT, do là linh kiện phối hợp kế thừa các ưu điểm của FET (kích bằng áp) và của BJT (điện áp rơi trên CE nhỏ) nên sẽ được sử dụng. Dòng điện qua IGBT chính là nửa dịng qua cuộn sơ cấp của máy biến áp (đã tính ở trên) và điện áp ngược cực đại đặt lên nó là VDC. Do đó có thể chọn IGBT có IC > 0.16A và VCE > 310V. Với các thông số trên có

Bảng 3.2 thơng số kỹ thuật IGBT FGA25N120AN

Để điều khiển cho IGBT cần có mạch kích. Do đó cần phải thiết kế mạch kích.

3. 3. Thiết kế mạch k ch

Các IGBT trong mạch công suất trên cùng mạch nhánh không được cùng dẫn vì dẫn đến ngắn mạch. Do đó, cần phải có mạch điện có chức năng đảm bảo trước khi có IGBT trong 1 nhánh chuyển từ ngắt sang dẫn phải đảm bảo cả 2 IGBT của nhánh phải ngắt. Đó chính là chức năng của mạch deadtime và sẽ được thiết kế ngay sau đây.

Thiết kế mạch deadtime:

Có nhiều cách khác nhau để tạo mạch deadtime như sử dụng kết hợp cổng NAND và NOR, kết hợp AND, OR và bộ đếm hoặc đơn giản có thể sử dụng cổng NOT và tính chất thay đổi điện trở khi phân cực thuận và ngược của diode. Để đơn giản ở đây nhóm sử dụng mạch NOT kết hợp diode như hình 3.3.

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch deadtime

Mạch gồm 2 nhánh mỗi nhánh gồm 1 ngõ vào và 2 ngõ ra.

Khi IN bằng „1‟ tụ điện C3 nạp với thời hằng 1R CD. , tụ điện C4 được nạp với thời hằng 2 R C. , do RD < R nên tụ điện C3 được nạp nhanh hơn tụ điện C4. Khi C3 được nạp đến mức điện áp VT+, T2 tác động, mức tích cực ở ngõ ra của T2 là 0. Sau đó điện áp C4 đạt đến mức VT+, T3 tác động, mức logic ở ngõ ra của T3 là 1.

Khi IN = 0 tụ điện C3 xả với thời hằng 2, tụ điện C4 xả với thời hằng 1, nên tụ điện C4 xả nhanh hơn tụ điện C3 . Khi C4 xả đến mức điện áp VT-, T3 tác động, mức tích cực ở ngõ ra của T3 là 1. Sau đó khi điện áp C3 đạt đến mức VT-, T2 tác động, mức logic ở ngõ ra của T2 là 1. Với cổng NOT sử dụng là 74HC14 thì mức cao và mức thấp tác động là 4.32V và 0.15 V nên việc tính tốn các giá trị linh kiện trên mạch có thể áp dụng.

Tnạp = RD C3 ln(5/4.32) (3.4) VC4 = 5(1- ) (3.5)

Txả = R4 C4 ln(5/0.15) (3.6)

Tdeadtime = Txả - Tnạp = R4 C4 ln(5/0.15) – RD C3 ln(5/4.32) (3.7) Ta chọn Tdeadtime, , C3, C4 và diode (sẽ có RD) sẽ tính được R3.

Lý luận tương tự sẽ tính được R3 tuy nhiên chúng ta cũng chẳng cần tính vì R3 = R4. Ta chọn Tdeadtime = 1us, C3 = C4=1nF, RD = 50 Ω (diode 1n4148).ta tính được R3 = R4 = 270 Ω.

Mạch lái IGBT

Hình 3.4: Mạch lái IBGT

Để hạn chế dòng qua cực G của IGBT và dòng cực đại qua Transistor trong ghép nối quang OK1, OK2 khơng vượt q dịng Icmax của Transistor cần phải gắn thêm các điện trở R9 , R10 , R3 như hình 3.5.

Hình 3.5: Phần mạch lái cho IGBT nhánh trên

Hình 3.6: Chiều dịng điện khi ghép nối quang OK1 dẫn.

Lúc này tụ Cge đang được nạp đầy bởi nguồn Vcc2 nên Vcge = 12V và . Ta

có :

Ω (1)

Khi OK1 ngưng dẫn và OK2 dẫn ta được :

Ta có hệ số điện dung Kc của cực G là: ( ) [14](3.8)

Khi có được hệ số Kc ta có thể tính được dịng trung bình hay dịng tối thiểu ta dùng để kích cực G của IGBT: ( ) [14] (3.9) Suy ra: (3.10) Giải phương trình này có {

Ta có thể chọn các giá trị R3 , R9 , R10 sao cho thỏa mãn các điều kiện (1)(2)(3).

Tính tương tự với các R ở nhánh dưới ta được R9 = R10 = R11 = R12 = 1kΩ và R3 = R4 = 1k Ω.

Hình 3.7: Phần mạch lái cho IGBT nhánh dưới

Như vậy khối công suất là mạch nghịch lưu cầu gồm 4 IGBT sẽ được kết nối với khối điều khiển thơng qua mạch kích và mạch deadtime đã thiết kế (hình 3.8)

Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất

Mạch nghịch lưu cầu gồm 4 IGBT được cách ly với mạch điều khiển thông qua mạch opto. Khi nhận tín hiệu kích từ mạch kích các opto sẽ dẫn tương ứng tạo dịng kích IGBT làm cho cặp Q1Q4 và cặp Q2Q3 thay nhau dẫn từ đó tạo ra được điện áp biến thiên kích cho biến áp xung hoạt động theo bảng trạng thái 3.3.

Bảng 3.3: Trạng thái điện áp ra của mạch công suất

Q1 Q2 Q3 Q4 V out

Dẫn Ngắt Dẫn Ngắt 0 V

Dẫn Ngắt Ngắt Dẫn + V

Ngắt Dẫn Dẫn Ngắt - V

Ngắt Dẫn Ngắt Dẫn 0 V

Nếu gọi STA là trạng kích cặp IGBT Q1, Q4 và STB là trạng thái kích cặp IGBT cịn lại thì với trạng thái kích như hình 3.9 sẽ cho điện áp trên cuộn dây sơ cấp máy biến áp như UAB.

Như vậy chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển STA và STB từ khối điều khiển để đóng ngắt các IGBT trong khối cơng suất từ đó tạo sóng điện áp cấp cho biến tử siêu âm. Điều chỉnh giá trị TS sẽ điều chỉnh được tần số siêu âm phát ra. Nếu muốn điều chỉnh biên độ sóng siêu âm thì chỉ cần điều chỉnh giá trị T1. Vì giá trị hiệu dụng điện áp trên sơ cấp máy biến áp xung (UAB,RMS) được tính:

√ (3.11)

Như vậy trong khối điểu khiển sử dụng vi mạch PIC16F877 chỉ cần lập trình để tạo xung STA, STB có khả năng điều chỉnh TS và T1.

3. 4. Thiết kế khối điều khiển

Khối điều khiển có chức năng phát xung STA và STB như trình bày ở trên và có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Ở đây nhóm sử dụng vi mạch PIC16F877 là vi điều khiển đã được tìm hiểu trong quá trình học tập.

Ưu điểm của 16F877 là có tích hợp sẵn module phát xung PWM rất phù hợp với việc thay đổi giá trị thời gian T1. Với việc sử dụng vi điều khiển ta có thể dùng khối điều khiển lập trình, tính tốn thay đổi tần số, thời gian hoạt động, trình tự làm việc của hệ thống bằng cách thay đổi chương trình mà khơng cần phải tác động đến phần cứng, việc sử dụng module phát xung trong khối điều khiển giúp ta có thể quản lý tần số hoạt động trực quan hơn bằng cách cho hiển thị ra LCD. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển như trình bày ở hình (3.10)

Tính tốn điện trở qua led

= 2÷3V ; = 10÷20 mA.

(3.10)

(3.11) Trong đó : output high (~5V).

R = =

=

= 300Ω.

Có 2 giá trị có thể chọn là 220Ω và 330Ω. Nếu chọn 220Ω thì R sẽ nhỏ dẫn đến I lớn, điều này làm led sáng hơn nhưng giảm tuổi thọ của led nên nhóm quyết định chọn R=330Ω.

Tính tốn điện trở kéo lên của nút nhấn

PIC 16F877 hoạt động ở dòng 20mA và 5V trên các chân. Vì vậy, khi chưa bấm nút thì nguồn 5V được nối vào trở và đi vào chân của PIC. Nếu chân của PIC chuyển từ chế độ input sang output thì dịng trên chân phải đảm bảo nhỏ hơn 20mA. Như vậy, ta phải thiết kế trở kéo lên đảm bảo hoạt động an toàn và tiết kiệm năng lượng.

Nhóm mong muốn dịng tiêu thụ khi nhấn phím là 0.5mA,

=

3. 5. Sơ đồ ngu ên to n mạch

Sau q trình thiết kế chúng ta có được sơ đồ ngun lý của máy rửa bằng siêu âm như hình 3.11

Hình 3.11: Sơ đồ ngun lý máy rửa bằng sóng siêu âm

Nguyên lý hoạt động:

Xung đưa vào chân T1,T2 từ mạch phát xung PWM của vi điều khiển PIC 16F877 sau đó được đưa vào bộ deadtime tạo ra hai mức tín hiệu „0‟ và „1‟. Khi tín hiệu đưa vào chân T1 bằng „1‟ sẽ kích cho opto2 dẫn làm cho Q2 dẫn. khi T1 bằng „1‟ thì sẽ kích cho opto1 dẫn làm cho Q1 dẫn. Tương tự như T1, khi T2 bằng „1‟ sẽ kích cho opto4 dẫn làm cho Q4 dẫn. khi T2 bằng „0‟ thì sẽ kích cho opto3 dẫn làm cho Q3 dẫn. Tại những thời điểm đóng cắt khác nhau của Q1, Q2, Q3,Q4 thì sẽ tạo ra điện áp biến thiên bên cuộn sơ cấp của biến áp xung đồng thời bên cuộn thứ cấp của biến áp xung ta có một điện áp xoay chiều đủ lớn để kích biến tử siêu âm hoạt động. Đồng thời vi điều khiển điều khiển LCD hiển thị nhưng thông số cài đặt của hệ thống.

3. 6. Sơ đồ ngu ên mạch nguồn

Hình 3.122: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Để điều khiển được mạch lái ta cần có mạch nguồn để ni mạch lái. Ta cần 4 nguồn đôi 12V DC không chung mass.

Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG

Sau khi tính tốn và thiết kế ở chương 3, trong chương 4 ta tiến hành thi công hệ thống và thiết kế lưu đồ giải thuật của hệ thống.

4.1 Yêu cầu điều khiển

Với kết cấu phần cứng đã thiết kế và yêu cầu vận hành thực tế, hệ thống điều khiển của máy rửa bằng siêu âm phải đảm bảo thỏa các yêu cầu như sau:

Đáp ứng nhu cầu tẩy rửa nhiều loại thực phẩm khác nhau của khách hàng. Ngoài ra, hệ thống có thể điều chỉnh được thời gian, tần số và công suất tẩy rửa theo yêu cầu của người tiêu dùng.

Hệ thống vận hành đơn giản tin cậy.

4.2 Thi công hệ thống

Ta tiến hành thi công từng mạch , kiểm tra hoạt động của từng mạch sau đó ghép các mạch lại với nhau thành hệ thống hồn chỉnh.

Mạch cơng suất layout

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 34

Sau khi đã tính tốn và thiết kế các mạch deadtime, mạch lái IGBT ở chương 3 ta tiến hành thi cơng mạch cơng suất như hình 4.1, với các linh kiện trong bảng 4.1.

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện của mạch công suất

STT Tên linh kiện Giá trị

1 IGBT FGA25N120ANTD 25A, 1200V

2 Diode 1n4818 1,5A

3 74HC14

4 Opto PC847

5 Tụ gốm 1nF

6 Điện trở 1kΩ

Mạch công suất thi cơng:

Theo sơ đồ mạch layout ta tiến hành thi công gắn linh kiện lên mạch cơng suất được thể hiện ở hình 4.2.

Mạch nguồn layout

Hình 4.3: Mạch nguồn layout

Sau khi đã tính tốn và thiết kế chương 3 ta tiến hành thi cơng mạch cơng suất như hình 4.3, với các linh kiện trong bảng 4.2

Bảng 4.2 Danh sách các linh kiện của mạch nguồn

STT Tên linh kiện Giá trị 1 Tụ hóa 50V,2200UF 25V,100UF 400V,120UF 2 KBL 580 5A 3 Biến áp 15V,1A 4 Ic 7812,7912 1,5A

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 36

Mạch nguồn thi cơng:

Hình 4.4: Mạch nguồn thi cơng

Theo sơ đồ mạch layout ta tiến hành thi công gắn linh kiện lên mạch công suất. được thể hiện ở hình 4.4

Kiểm tra hoạt động mạch nguồn:

Hình 4.5: Mạch nguồn khi được cấp điện

Sau khi tiến hành lắp ráp linh kiện lên bo mạch ta tiến hành cấp điện để kiểm tra hoạt động của mạch nguồn được thể hiện ở hình 4.5.