Bài báo cáo Đồ Án Điện tử công suất

1 Nguyên lý hoạt động và vai trò của mạch chỉnh lưuMạch chỉnh lưu có vai trò chuyển đổi nguồn điện xoay chiều AC thànhnguồn điện một chiều DC.. Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu dựa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

-🙞🙞🙞🙞🙞 -BÀI BÁO CÁO

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giảng viên hướng dẫn : PHẠM DUY DƯỠNG

Sinh viên thực hiện : PHẠM XUÂN TIẾN :22115055122162

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

-o0o -Thành viên nhóm : Phạm Xuân Tiến Msv: 22115055122162

Đặng Văn Phong 22115055122151

Giáp Hoàng Chí Cường 22115055122105

GVHD: Phạm Duy Dưởng

1.Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo mạch sạc ắc quy tự động ngắt

2 Các số liệu ban đầu:

Chương 1: Tổng quan về ắc quy và phương pháp sạc ắc quy tự ngắt

Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu

Chương 3: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực

Chương 4: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch điều khiển

Chương 5: Mạch bảo vệ và kết luận

4 Sản phẩm:

- (A1) bản vẽ tổng thể gồm sơ đồ nguyên lý mạch động lực,mạch điều khiển và bảo vệ

- Mạch sạc ắc quy tự động ngắt

(Giáo viên HD ký mỗi lần SV đến Giáo viên hướng dẫn

gặp thông qua đồ án)

Phạm Duy Dưởng

Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu 1 pha

I) Lý thuyết về chỉnh lưu một pha

1 Khái niệm chỉnh lưu cầu 1 pha

Chỉnh lưu cầu 1 pha là một mạch chỉnh lưu sử dụng bốn điốt mắc theo dạng cầu để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) So với chỉnh lưu nửa chu kỳ hoặc toàn chu kỳ dùng biến áp có điểm giữa, mạch chỉnh lưu cầu có hiệu suất cao hơn và không cần biến áp có trung tính

2 Cấu tạo

 Nguồn AC: Cung cấp điện áp xoay chiều đầu vào.

 4 điốt (D1, D2, D3, D4): Mắc theo dạng cầu.

 Tải (R_load): Tiêu thụ điện áp DC sau chỉnh lưu.

Hình 2.1 Cấu tạo chỉnh lưu cầu 1 pha

 AC input (Nguồn AC): Hai đầu vào của nguồn điện xoay chiều.

 D1, D2, D3, D4: Bốn điốt mắc theo kiểu cầu chỉnh lưu.

 Load (Tải): Điện trở tải tiêu thụ điện áp một chiều (DC).

 Dòng điện DC đầu ra luôn có cùng chiều nhờ nguyên lý hoạt động của điốt.

2.1 Chỉnh lưu 1 pha không điều khiển

Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha không điều khiển

 Thông số của sơ đồ

2.2 Chỉnh lưu điều khiển đối xứng

Sơ đồ, các đường cong:

Hình 2.3 chỉnh lưu điều khiển đối xứng

 Đặc điểm điều khiển đồng thời 2 van

Hình 2 4 sơ đồ điều khiển đồng thời 2 tiristor

2.3 Chỉnh lưu không đối xứng

+ Tùy theo cách mắc tristor có 2 loại sơ đồ

L

R

T3B

1) Nguyên lý hoạt động và vai trò của mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu có vai trò chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) thànhnguồn điện một chiều (DC) Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu dựa trên sự

sử dụng các thành phần điện tử như diode và tụ điện để làm việc

Khi nguồn điện xoay chiều đầu vào được kết nối với mạch chỉnh lưu, diodetrong mạch sẽ cho phép dòng điện chỉ đi theo một hướng, loại bỏ thành phần âmcủa nguồn điện và chỉ để lại thành phần dương Điều này gây ra sự biến đổi từnguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều không đổi

Sau đó, tụ điện trong mạch chỉnh lưu sẽ chứa và lưu trữ năng lượng từ nguồnđiện một chiều, tạo thành một nguồn điện DC có thể sử dụng được cho các thiết bịđiện tử

 2 3

t t

t t t

2

N A

t t t t t

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển qua LoRa.

Vai trò của mạch chỉnh lưu là cung cấp nguồn điện một chiều ổn định vàkhông gây nhiễu cho các thiết bị hoạt động trong hệ thống Nó giúp đảm bảo rằngcác thiết bị như bộ sạc, mạch điều khiển và các linh kiện điện tử khác được cungcấp nguồn điện phù hợp và ổn định, đảm bảo hoạt động hiệu quả và bảo vệ chúngkhỏi các tác động tiềm năng từ nguồn điện xoay chiều

2) Tính toán các thành phần của mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu sử dụng mạch cầu chỉnh lưu toàn sóng với diode cầu 25A dẹt1000V KBJ2510 để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220V - 50Hz thành dòngđiện một chiều

Hình 3.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu có sử dụng một tụ điện để lọc nhiễu

Tuy nhiên, đầu ra của mạch chỉnh lưu có điện áp một chiều không ổn định và

có biên dạng sóng nhấp nhô Để giải quyết vấn đề này, một tụ điện 100uF 400Vđược kết nối ở ngõ ra của mạch chỉnh lưu để làm san phẳng và ổn định điện áp

II TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU:

a.Tính công suất biểu kiến của máy biến áp

Sba = Ks× Pdmax =Ks× Udo ×Id = 1.34× 238.2 ×48.12 =15359.3(VA) Trong đó:

Ks : hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực( Ks = 1,34) Pdmax: công suất cực đại của tải (W)

Sba: công suất biểu kiến máy biến áp (VA)

b Tính các thông số cơ bản:

1 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp

U1 = 220 (V)

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

Phương trình cân bằng điện áp khi không có tải:

Udo.cosα min = Ud + 2∆Uv + ∆Udn + ∆Uba

Trong đó: Ud : Điện áp chỉnh lưu

αmin = 10° : góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới

∆Uv = 1,8 (V) : sụt áp trên Thyristor

∆Udn ≈ 0 : sụt áp trên dây nối

∆Uba = ∆Ur + ∆Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp

Sơ bộ ∆Uba = 5% Ud = 220×5% = 11 (V)

Suy ra Udo=Ud +2 ∆ Uv+∆ Udn+∆ Uba cosα min =220+2 ×1 , 8+0+11

cos1 00 =238.2(V) Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

KQ : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy KQ = 6 ( biến áp khô)

m : số pha máy biến áp (m=3)

f : tần số nguồn điện xoay chiều (f = 50hz)

Suy ra: QFE = 6 × √15359.3

Ta chọn loại thép kỹ thuật điện có độ dày 0.5mm

Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B= 1 tesla

6) chọn tỷ số:

m = dFE h =2.3 (m=2 – 2.5)

 suy ra: chọn chiều sao trụ là 20 (cm)

- TÍNH TOÁN DÂY QUẤN:

7) Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

9)chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:

Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô J= 2÷2,75[A/mm2]

 Chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2)

10)Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

S1 = J 1 I 1 = 2 ,7521.1 = 7.67 (mm2)

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 11.4 (mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B

Kích thước dây dẫn có kể cách điện:

S1cd = a1×b1 = 1.35 × 8.6 = 11.6 (mm2)

11) Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:

S2 = J 2 I 2 = 39 ,28 2 ,75 = 14,28 (mm2)

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 20,4 (mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B

Kích thước dây dẫn có kể cách điện:

S2cd = a2× b2 = 2,83 × 7,4= 24,27 (mm2)

12) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

J2 = S 2 I 2 = 14 , 2839.28 = 2,75 (A/mm2)

- Kết cấu dây quấn sơ cấp:

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm, bố trí theo chiều dọc trục

1) Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ

6) khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp: Cd 01 = 1,0(cm)

7) Đường kính trong của ống cách điện:

D1 = d Fe+2× cd01−2× S01 = 9+2×1-2×0,1=10,8(cm)

8) Đường kính trong của cuộn sơ cấp:

- Kết cấu dây quấn thứ cấp:

1)chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:

Như vậy 150 vòng chia thành 7 lớp mỗi lớp có 21 vòng

5)chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:

1) Đường kính trụ:

Với đường kính trụ d = 9 cm, ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ

2) Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ

Với khq = 0,95 là hệ quả hiệu quả

4) Tổng chiều dày các bậc thang của trụ:

Dt = 2× (1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4+0.7) = 10,2 (cm)

5) Số lá thép dùng trong các bậc:

Bậc 1 : n1 = 16

0 ,5 × 2= 64 (lá)Bậc 2 : n2 = 11

0 ,5 × 2= 44 (lá)Bậc 3 : n3 = 7

0 ,5 × 2= 28 (lá)Bậc 4 : n4 = 6

0 ,5 × 2= 24 (lá)Bậc 5 : n5 = 4

0 ,5 × 2= 16 (lá)Bậc 6 : n6 = 7

0 ,5 × 2= 28 (lá)

Ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = dt = 10,2 (cm)

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 8,5 (cm)Tiết diện gông Qbg = a× b = 8,5 × 8,8 = 86,7 (cm2)

6) Tiết diện hiệu quả của gông (k hq = 0,95)

Qg = Qbq ×Qbq= 0,95×86,7 = 82,365 (cm2)

- Tính các thông số máy biến áp

1) Điện trở cuộn sơ cấp của máy biến áp ở 75ºC

R1 = ρ l1

S 1 = 0,02133× 100 , 46

9 , 51 = 0,225 (Ω) Trong đó: ρ = 0,02133 (Ω)

2) Điện trở cuộn thứ cấp của máy biến áp ở 75ºC

R2 = = ρ l2

S 2 = 0,02133× 76 ,52

17 ,7 = 0,092 (Ω) Trong đó: p = 0,02133 (Ω)

3) Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp

ΔUBA = √ΔU r2+ ΔU x2=√7 , 212

+13 , 72 = 15,4(v)

9) Điện áp trên động cơ khi có góc mở αmin = 10ºC

U = Ud0× Cosαmin – 2×ΔUv – ΔUBA

Chọn góc mở cực tiểu αmin= 10º Với góc mở αmin là dự trữ ,ta có thể bù được

sự giảm điện áp lưới

-Khi mở góc nhỏ nhất α = αminthì điện áp trên tải là lớn nhất

Udmax = Udo Cos αmin= Udđm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất

nmax= ndm

-Khi góc mở lớn nhất α = α maxthì điện áp trên tải là nhỏ nhất

Udmin = Udo Cos α maxvà tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin

Ta có:

α max=arcos U dmin

U do =arcos ( U dmin

2 ,34 U2) Trong đó U dmin được xác định như sau:

6 =π3

Trong đó: P = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đạp mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên

Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây

ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ

Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im ≤ 0,1.Iưđm

Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn

Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở α = αmax

Các thông số ban đầu:

Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 0,13 (mH)

Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Iudm = 70,34 (A)

Biện độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%Iđm = 7,034 (A)

-Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng:

-Công suất của cuộn kháng lọc

Chuẩn hóa tiết diện trụ theo kích thước có sẵn: Q = 4,25 (cm2)

-Với tiết diện trụ(Q = 4,25 cm 2 )

Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35mm

-Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,75 (A/mm 2 )

Tiết diện cuộn kháng:

-Chiều dài của vòng dây trong cùng

-Điện trở của dây quấn ở 75ºC

CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I Tính toán khối nguồn cấp

-Nhờ đó, mạch đảm bảo cung cấp nguồn điện sạch và tin cậy cho các thiết bị điện tửkhác trong hệ thống, góp phần giúp các thiết bị hoạt động ổn định, chính xác và kéodài tuổi thọ Đây là một phần quan trọng trong thiết kế mạch điện tử, đặc biệt là trong các hệ thống yêu cầu nguồn điện ổn định như vi điều khiển, cảm biến, mạch logic hoặc thiết bị truyền thông

1.1.1.1 Mạch nguồn nuôi

Để tạo ra mạch nuôi có khả năng biến đổi nguồn một chiều 65V thành nguồnmột chiều 9V để nuôi ic 555 , em sử dụng IC LM5017 Dưới đây là cách kết nối vàhoạt động

1.1.1.1a Sơ Đồ Chân

1 Vin Nguồn vào dương (Input voltage) Kết nối đến nguồn DC đầu vào

2 En Chân kích hoạt Mức logic cao để bật IC, mức thấp để tắt IC Có

thể dùng để bật/tắt nguồn ra

(Undervoltage Lockout)

Cho phép lập trình ngưỡng điện áp thấp để IC tự động ngắt khi VIN thấp hơn giá trị này Giúp bảo vệ nguồn và thiết bị.

Kết nối tụ bootstrap (thường 0.01µF–0.1µF) giữa chân BST và SW

để điều khiển MOSFET high-side.

Node) Nút chuyển mạch (nối MOSFET high-side và low-side) Kết nối đến cuộn cảm (inductor) Là điểm ra của mạch buck.

7 GND Mass (đất), chân nối đất của IC Là tham chiếu chung cho toàn

mạch.

8 VCC Nguồn nội bộ được tạo ra từ VIN thông qua mạch LDO tích hợp,

cấp cho mạch điều khiển bên trong Có thể cần tụ lọc (VD: 1µF) tại đây.

Hình 3.2: sơ đồ chân của IC LM5017.

1.1.1.1b tính toán linh kiện cần thiết

COUT=10μF đến 47μF, loại gốm (ceramic) hoặc tantalum, ESR thấp

0.01μF đến 0.1μF, loại gốm, điện áp ≥ 16V

 Chọn tụ đầu vào (Cin)

Vin = 65V → cần tụ chịu áp cao vậy nên chọn tụ có giá trị từ 2 × 4.7μF 100V MLCC hoặc

Tóm tắt giá trị linh kiện

tên linh kiện Giá trị

Hình 3.16: Sơ Đồ Mạch So Sánh và Điều Khiển Rơ Le

1.1.3.1: nguyên lý hoạt động mạch so sánh

-Mạch sử dụng nguyên lý so sánh điện áp để kích hoạt hoặc ngắt rơle nhằm điều khiển nguồn cấp cho tải Khi được cấp nguồn, mạch sẽ so sánh điện áp đầu vào với các mức điện áp tham chiếu được thiết lập thông qua mạch chia áp

-Dựa trên kết quả so sánh, nếu điện áp đầu vào vượt quá hoặc thấp hơn ngưỡng quy định, mạch sẽ thay đổi trạng thái đầu ra, từ đó điều khiển một linh kiện chuyển mạch bán dẫn để kích hoạt hoặc ngắt rơle

-Khi rơle được kích hoạt, tiếp điểm của nó sẽ đóng, cho phép dòng điện đi qua để cấp nguồn cho tải bên ngoài; ngược lại, khi rơle ngắt, tải sẽ được cách ly khỏi nguồn điện Ngoài chức năng điều khiển, mạch còn tích hợp cơ chế bảo vệ và hiển thị trạng thái giúp người dùng dễ dàng quan sát hoạt động

-Với nguyên lý hoạt động như vậy, mạch thường được ứng dụng trong các hệ thốnggiám sát điện áp, tự động bảo vệ thiết bị điện khi xảy ra hiện tượng quá áp hoặc thấp áp, góp phần nâng cao độ an toàn và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện

1.1.3.2 mạch so sánh dùng ic 555

- Mạch này dùng để giám sát điện áp đầu vào và tạo tín hiệu đầu ra khi điện áp

vượt quá hoặc thấp hơn một ngưỡng nhất định, được thiết lập thông qua hai biến

trở (VR1 và VR2) Khi điện áp tại chân 2 (TRIG) và chân 6 (THR) thay đổi vượtqua các mức so sánh nội bộ (1/3 Vcc và 2/3 Vcc), đầu ra tại chân 3 sẽ thay đổitương ứng sang mức cao hoặc thấp Dưới đây là cách kết nối và hoạt động củamạch:

Nguồn cấp: Mạch được cấp điện áp DC (ví dụ: 9V) tại điểm Vbat.

IC555: Được cấu hình hoạt động như một bộ so sánh điện áp:

 Chân 8 (VCC) nối nguồn dương (+9V).

 Chân 1 (GND) nối đất (GND).

 Chân 2 (TRIG) và chân 6 (THR) nhận tín hiệu điện áp chia từ hai biến trở

VR1 và VR2 để so sánh

 Chân 3 (OUT) là đầu ra điều khiển (có thể dùng để điều khiển rơle, LED,

hay vi điều khiển)

 Chân 4 (RESET) nối lên VCC để không bị vô hiệu hóa

 Chân 5 (CONT) có gắn zener diode để ổn định điện áp

 Chân 7 (DISCHARGE) nối trở và LED để hiển thị tình trạng.

Hình 3.17 IC555

Những thông số chính của ic 555

 Điện áp nguồn (Vcc) :4.5V – 15V (tối đa 18V)

 Dòng điện đầu ra tối đa :200 mA

 Dòng tiêu thụ (Standby) ~3 mA

 Điện áp ngưỡng TRIG (kích hoạt) 1/3 Vcc

 Điện áp ngưỡng THR (xả) 2/3 Vcc

1.1.3.3 nguyên lý hoạt động khối điều khiên role

Khi chân out ở mức cao:

 Dòng điện chạy qua điện trở R3 vào chân base của transistor Q1, khiến Q1 dẫn điện

 Khi đó, dòng điện từ nguồn Vbat sẽ đi qua cuộn hút của rơle RL1, qua mạch collector-emitter của Q1 xuống đất (GND), làm cho rơle được kích hoạt

 LED2 sẽ sáng lên báo hiệu rơle đang hoạt động, vì dòng điện cũng chạy qua LED2 và điện trở R2

 Tiếp điểm của rơle (chân 1 và chân 2) sẽ đóng lại, cho phép điện áp Vin cấp cho tải qua công tắc KF2

Khi chân “out” ở mức thấp:

 Transistor Q1 không dẫn, dòng điện không chạy qua cuộn dây rơle

 Rơle sẽ nhả ra, tiếp điểm rơle mở (hở), do đó tải bị ngắt nguồn

 LED2 cũng tắt theo vì không còn dòng điện chạy qua

- Dưới đây là cách kết nối của mạch

+ Q1 (2SC1815): Transistor NPN hoạt động như công tắc điều khiển rơle + RL1 (Rơle 10A/12V): Rơle 12V dùng để đóng hoặc ngắt mạch tải.

+ D1 (Diode mắc ngược song song với cuộn rơle): Bảo vệ transistor khỏi

dòng điện ngược sinh ra khi rơle tắt do hiện tượng cảm ứng từ

+ R2 (13kΩ): Điện trở giới hạn dòng cho LED2, giúp bảo vệ LED khỏi dòng

+ KF2: Jack kết nối đầu ra để điều khiển tải.

+ Vbat: Nguồn 12V cung cấp cho cuộn rơle.

+ Vin: Nguồn điện áp cấp cho tải thông qua tiếp điểm rơle.