thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện - Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.. Với đề tài “thiết

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ NGUỒN

CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ

Ngành: Kỹ thuật điện – Khóa: 37

Tháng 4/2015

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày 09 tháng 01 năm 2015

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ 2 NĂM HỌC 2014 - 2015

1 Họ và tên sinh viên: Lê Tấn Tài MSSV:1111038 Ngành: Kỹ Thuật Điện Khoá: K37

2 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ

3 Địa điểm thực hiện: (ghi rõ điạ chỉ của cơ sở, số điện thoại nếu có)

4 Họ tên của người hướng dẫn khoa học (NHDKH): Thầy Nguyễn Văn Dũng

5 Mục tiêu của đề tài: Thiết kế bộ nguồn cao áp đúng kỹ thuật

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN CAO ÁP

CHƯƠNG 3 SƠ LƯỢC VỀ LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài:

Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: (dự trù chi tiết đính kèm, chỉ cần cho LVTN)

Ý KIẾN CỦA NHDKH SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

(ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 3

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV&TLTN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: Thầy Nguyễn Văn Dũng

3 Sinh viên thực hiện: Lê Tấn Tài MSSV: 1111038

4 Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37

5 Nội dung nhận xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ:

c Nhận xét về nội dung của luận văn:

 Các công việc đã đạt được:

 Những vấn đề còn hạn chế:

d Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Trang 4

Nguyễn Văn Dũng

Trang 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện:

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

Trang 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện:

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

Trang 7

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập thì luận văn tốt nghiệp luôn là sự tổng hợp kiến thức vốn có của mỗi sinh viên trong quá trình học tập, cũng là cơ hội để mỗi sinh viên kiểm chứng lại kiến thức của mình trước khi bước vào môi trường làm việc Dưới sự hướng dẫn của quý thầy trong Bộ môn

Sau thời gian thực hiện, đến nay luận văn của em cơ bản đã hoàn thành Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Nguyễn Văn Dũng, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy trong bộ môn Kỹ thuật điện - Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này

Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và động viên

em trong suốt quá trình học tập

Tuy nhiên, do hạn chế về kinh nghiệm thực tế, thời gian thực hiện đề tài, nên không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong Thầy hướng dẫn cùng các thầy (cô) trong hội đồng bộ môn góp ý xây dựng để cho đề tài “Luận Văn Tốt Nghiệp” của em được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay Việt Nam là nước đang phát triển đang trên con đường hội nhập với các nước trên thế giới Cùng với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước, chúng ta

đã tiến hành xây dựng nền kinh tế thị trường ngày các sâu rộng Vì vậy, sự xuất hiện của những công nghệ hiện đại, những thành tựu khoa học - kỹ thuật mới đã làm cho nền kinh tế của nước ta phát triển vượt bậc và ngành điện cũng không nằm ngoài xu hướng hòa nhập đó

Bên cạnh việc phát triển nhanh chóng của nền kinh tế không thể tránh khỏi một số tác động xấu đến môi trường xung quanh đặc biệt là ô nhiễm nước Do đó nước máy cũng không thể tránh khỏi nguy cơ nhiễm khuẩn cao Nhưng nhờ sự tiến

bộ của khoa học - công nghệ, các nhà nghiên cứu đã tìm ra rất nhiều giải pháp để xử

lí làm cho nước sạch hơn và không bị nhiễm khuẩn Trong đó, ứng dụng công nghệ Plasma lạnh để xử lí nước là công nghệ mới và hứa hẹn nhiều triển vọng trong tương lai Với đề tài “thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ” nhằm tạo ra tia Plasma lạnh phục vụ cho các nghiên cứu Quyển “luận văn tốt nghiệp” này cơ bản đã trình bày được cơ sở lý thuyết, cách tính toán và chế tạo bộ nguồn cao áp Em hi vọng

nó thực sự cần thiết để xử lí nước nhiễm khuẩn Tất cả vì sự phát triển vững mạnh và lâu dài của đất nước

Do hiện đang là sinh viên trình độ còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót Rất mong được sự hướng dẫn và chỉ bảo thêm của quý thầy cô để đề tài luận văn được hoàn chỉnh hơn

Sinh viên thực hiện

Lê Tấn Tài

Trang 9

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Sơ lược điện cao áp 1

1.1.1 Điện cao áp 1

1.1.2 Giới thiệu bộ nguồn cao áp kiểu điện từ 1

1.2 Công nghệ Plasma 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Sự tương tác giữa các hạt trong plasma 9

1.2.3 Phân loại Plasma 11

1.3 Ứng dụng 12

1.3.1 Công nghệ xử lí nước bằng plasma lạnh 13

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ 15

2.1 Xây dựng mô hình 15

2.1.1 Sơ đồ khối cơ bản 15

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 16

2.2 Thiết kế mô hình 16

2.2.1 Lý thuyết và tính toán chi tiết bộ nguồn 17

CHƯƠNG 3.SƠ LƯỢC VỀ LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH 32

3.1 Biến áp đánh lửa 32

3.1.1 Cấu tạo biến áp đánh lửa (bobin) 32

3.1.2 Chọn thông số của bobine 34

3.2 IC NE555 35

3.2.1 Cấu tạo 35

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của IC555 37

3.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động mosfet 40

3.4 Điện trở 41

Trang 10

CHƯƠNG 4.MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN 44

4.1 Giới thiệu phần mềm 44

4.1.1 Các phần cơ bản 45

4.2 Kết quả mô phỏng 46

4.2.1 Thiết kế mạch mô phỏng 46

4.2.2 Chế độ khi phóng điện 47

4.2.3 Chế độ trước khi bắt đầu phóng điện 52

CHƯƠNG 5.MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 55

5.1 Mô hình 55

5.1.1 Linh kiện bộ nguồn xung 55

5.1.2 Chức năng phần tử chính của mạch 56

5.1.3 Chế tạo mạch 59

5.2 Kết quả thử nghiệm thực tế 61

5.2.1 Bộ nguồn DC 62

5.2.2 Lý thuyết đo điện áp cao bằng phóng điện điện cực Cầu-Cầu 65

5.2.3 Quá trình đo điện áp phóng điện được thực hiện theo các bước sau 67

CHƯƠNG 6.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

6.1 Kết luận 71

6.2 Kiến nghị 71

Trang 11

MỤC LỤC HÌNH

Trang

Hình 1: Mô hình tạo điện cao áp kiểu điện từ 2

Hình 2: Sơ đồ mạch tạo xung vuông 3

Hình 3: Biến áp đánh lửa (bobin) 3

Hình 4: Mạch nguyên lý của biến áp bobin 4

Hình 5: Mạch snubber bảo vệ mosfet 5

Hình 6: Các dạng tồn tại plasma 6

Hình 7: Tia Plasma nhiệt độ thấp 11

Hình 8: Plasma nhiệt độ cao 12

Hình 9: Mô hình xử lí nước bằng plasma lạnh 14

Hình 10: Sơ đồ khối cơ bản 15

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tạo xung cao áp 16

Hình 12: Mạch nguyên lý của bộ nguồn 17

Hình 13: Hình dạng và thông số kích thước của lõi thép 18

Hình 14: Khối nguồn xung vuông PWM 21

Hình 15: Sơ đồ mạch tương đương đơn giản 21

Hình 16: Sơ đồ khi đóng nguồn điện mosfet dẫn 23

Hình 17: Quá trình tăng dòng sơ cấp theo thời gian 23

Hình 18: Sơ đồ khi ngắt nguồn điện qua mosfet 24

Hình 19: Thời gian (toff) dòng giảm khi ngắt mosfet 26

Hình 20: Cấu tạo bobin 32

Hình 21: Sự phụ thuộc U2m vào thời giang đóng ngắt 34

Hình 22: Qui luật biến đổi dòng sơ cấp và hiệu điện thế thứ cấp U2m 34

Hình 23: IC NE555 35

Hình 24: Sơ đồ chi tiết IC NE555 36

Trang 12

Hình 25: Sơ đồ trạng thái tạo xung IC NE555 37

Hình 26: Đồ thị dạng điều chế xung PWM 39

Hình 27: Dạng sóng vuông điều chỉnh PWM 39

Hình 28: Bán dẫn mosfet 40

Hình 29: Dạng của điện trở trong thiết bị điện tử 42

Hình 30: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý 42

Hình 31: Các loại tụ gốm và tụ hóa 43

Hình 32: IC ổn áp 43

Hình 33: Giao diện người dùng Multisim 45

Hình 34: Sơ đồ mô phỏng trước khi phóng điện 48

Hình 35: Đầu ra của IC 555 khi chưa gắn mosfet Channel A 49

Hình 36: Dạng sóng IC 555 sau khi gắn mosfet Channel B 50

Hình 37: Dạng sóng điện áp cuộn sơ cấp Channel B 50

Hình 38: Dạng sóng điện áp cuộn thứ cấp Channel A 51

Hình 39: Sơ đồ mạch mô phỏng có tải không khí 52

Hình 40: Sóng điện áp ngõ ra IC555 có gắn mosfet Channel B 53

Hình 41: Dạng sóng điện áp cuộn sơ cấp sau khi gắn tải Channel B 53

Hình 42: Sơ đồ chế tạo mạch nguồn 56

Hình 43: Sơ đồ chế tạo mạch tạo xung 57

Hình 44: Sơ đồ biến áp đánh lửa, mosfet và mạch snubber 57

Hình 45: Sơ đồ lắp đặt hoàn chỉnh 58

Hình 46: Mô hình mạch thực tế của bộ nguồn xung cao áp 59

Hình 47: Biến áp đánh lửa tự quấn 60

Hình 48: Phóng điện cao áp biến áp đánh lửa tự quấn 61

Hình 49: Mạch tạo xung- Mạch snubber 61

Hình 50: Điện cực Cầu - Cầu 65

Hình 51: Phóng điện thực tế điện cực Cầu - Cầu 66

Hình 52: Đặc tính của phóng điện hình cầu 66

Trang 13

Hình 53: Sơ đồ nguyên lý mạch đo 67 Hình 54: Sơ đồ thí nghiệm đo điện áp phóng điện 68

Trang 14

MỤC LỤC BẢNG

Trang

Bảng 1: Thông số lõi thép kỹ thuật điện 18

Bảng 2: Cho phép chọn hệ số K theo mật độ từ thông B 19

Bảng 3: Cho phép chọn ∆U2% theo công suất biểu kiến 19

Bảng 4: Cho phép chọn mật độ dòng theo công suất máy biến áp 19

Bảng 5: Liệt kê vật liệu bộ nguồn DC 20

Bảng 6: Cho phép chọn mật độ dòng theo công suất máy biến áp 30

Bảng 7: Chọn thiết bị quấn biến áp đánh lửa (bobin) 30

Bảng 8: Chọn thiết bị cho mạch tạo xung theo tính toán như trên 31

Bảng 9: Thông số tính toán bộ nguồn 47

Bảng 10: Bảng liệt kê các linh kiện bộ nguồn xung thực tế 55

Bảng 11: Bảng liệt kê các thông số cần khảo sát 61

Bảng 12: Giá trị khảo sát được 69

Bảng 13: Giá trị điện áp phóng điện 1 69

Bảng 14: Giá trị điện áp phóng điện 2 69

Trang 15

DANH SÁCH CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC: Active Current

DC: Direction Current

PWM: Pulse-Width Modulation

Trang 16

Một số tiêu chuẩn ngành công nghiệp không chỉ định điện áp tối thiểu để trên

đó được coi là điện áp cao Những định nghĩa thường được dựa theo những tính an toàn hoặc điện áp Điện áp trên 1000V dựa theo tính an toàn điện thì được xem là điện áp cao

Trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và vật lý ứng dụng, điện áp cao như (dc, ac,

và xung) là bắt buộc đối với một số ứng dụng Điện áp công nghệ cao được ứng dụng trong điện, công nghiệp và phòng thí nghiệm nghiên cứu Điện áp xung cao được yêu cầu cho mục đích thử nghiệm để mô phỏng như điện áp xảy ra trong hệ thống điện

do sét đánh hoặc chuyển đổi cao áp Đối với ngành điện, mối quan tâm chính của điện áp cao là để thử nghiệm cách điện của các thành phần khác nhau trong hệ thống điện cho các cấp khác nhau của điện áp, tần số cụ thể là điện xoay chiều, tần số cao, chuyển đổi hoặc xung sét

1.1.2 Giới thiệu bộ nguồn cao áp kiểu điện từ

Trước đây các nhà nghiên cứu đã làm nhiều thử nghiệm chế tạo bộ nguồn cao

áp dạng điện dung và điện từ nhưng chủ yếu đa phần là về điện dung Bộ nguồn điện dung trước đây khá phổ biến vì đơn giản, dễ thực hiện và yêu cầu không cao Ngày nay với yêu cầu cao hơn về mặt chính xác, trong chu kỳ phóng điện cao áp và an toàn Nên kiểu điện từ được ưu tiên hơn nhờ điều khiển được chu kỳ tạo tia lửa Với đề tài

là thiết kế và chế tạo bộ nguồn cao áp kiểu điện từ nhằm mục đích tạo plasma lạnh

Bộ nguồn bao gồm mạch tạo xung vuông, mạch bảo vệ (snubber) mosfet và biến áp đánh lửa ôtô

Trang 17

Bộ nguồn kiểu điện từ thiết kế cực kỳ đơn giản nhưng có độ tin cậy cao nhờ vào việc điều khiển chính xác thời gian đóng – ngắt cuộn dây Hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo ra điện áp cao

Hình 1: Mô hình tạo điện cao áp kiểu điện từ

a) Mạch tạo xung

Mạch tạo xung ở đây được dùng để tạo dao động, điện áp khác không và điện

áp bằng không nhằm mục đích điều khiển mosfet cho dòng điện qua cuộn cảm (điện

áp khác không) và sau đó ngắt (điện áp bằng không) để xuất hiện một sức phản điện lên cuộn cảm

Mạch dao động là mạch sử dụng các linh kiện đơn giản để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung được phát

ra từ mạch dao động như xung sine, xung vuông, xung tam giác

Có nhiều cách thiết kế mạch để tạo xung vuông như thiết kế mạch dùng Transistor, thiết kế mạch dùng Opam, thiết kế dùng IC Ở đây, chọn thiết kế mạch

Trang 18

dao động tạo xung vuông dùng IC NE555 vì linh kiện dễ mua, giá thành tốt Để IC555 tạo ra xung thì ta có sơ đồ tạo xung cơ bản như hình 2

Hình 2: Sơ đồ mạch tạo xung vuông

b) Biến áp đánh lửa (bobin)

Trang 19

Biến áp đánh lửa ô tô có nhiệm vụ biến điện áp 12VDC thành xung điện áp cao AC, khoảng vài chục kilovolt

Theo như sơ đồ hình 4 thì khi công tắc được bật (đóng) dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp Khi dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp thì xung quanh

nó xuất hiện từ trường Nếu có một sự gián đoạn dòng điện và ngắt dòng điện qua cuộn sơ cấp làm từ trường sụp đổ trên cuộn sơ cấp, cuộn dây sẽ sinh ra sức phản điện chóng lại sự thay đổi đột ngột của từ trường Điều này làm cho điện áp cuộn dây tăng lên hàng trăm volt Điều này dẫn đến điện áp bên thứ cấp tăng lên hàng kilovolt do hiện tượng cảm ứng điện từ (vì cuộn thứ cấp bao gồm rất nhiều vòng dây) Tự cảm không ảnh hưởng đến hoạt động cuộn thứ cấp nhưng có thể gây phóng điện hồ quang Hầu hết cuộn dây sơ cấp điều được đánh dấu (+) và (-)

Hình 4: Mạch nguyên lý của biến áp bobin

Trang 20

c) Mạch bảo vệ (snubber)

Snubber được áp dụng để kiểm soát điện áp Điện trở - Tụ điện - Diode (RCD) snubber này hoạt động như một “cái kẹp điện áp” Nhằm bảo vệ mosfet tránh điện áp ngược từ biến áp đánh lửa tăng cao khi ngắt dòng điện qua cuộn sơ cấp biến áp

Hình 5: Mạch snubber bảo vệ mosfet

Trong chế độ snubber là kẹp điện áp đóng tại cực Drain (cực máng) của mosfet Mạch RC (điện trở Rsn-Tụ điện Csn) song song nối đến cực âm (-) hoặc vào cực dương (+) của bobin vì điều này sẽ làm giảm tiêu hao năng lượng trên các điện trở Mosfet

sẽ chuyển sự duy trì tiêu hao năng lượng đỉnh qua chế độ ngắt Các giá trị của tụ điện

và điện trở dựa trên năng lượng được lưu trữ trong điện cảm ký sinh nhưng năng lượng này phải được thải vào các mạng RC trong mỗi chu kỳ Điện áp trên tụ điện và điện trở có đặt điện áp giới hạn

1.2 Công nghệ Plasma

1.2.1 Khái niệm

Từ "PLASMA" lần đầu tiên được áp dụng cho chất khí bị ion hóa bởi Tiến sĩ Irving Langmuir, một nhà hóa học và vật lý học người Mỹ vào năm 1929 Plasma là

Trang 21

trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó các chất khí bị ion hóa mạnh Các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân Plasma được tìm thấy trong các hệ năng lượng mặt trời, môi trường giữa các sao và giữa các thiên hà

ne,I: nồng độ các hạt mang điện

n0: nồng độ các hạt khí trong môi trường

 Nhờ vào bậc ion hóa người ta chia plasma ra làm hai loại là: ion hóa hoàn toàn

và ion hóa một phần

 Trường hợp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra ở plasma nhiệt độ cao Lúc này tính chất của plasma được xác định bởi tính chất của điện tử và ion chứa trong nó

Trang 22

 Trường hợp plasma nhiệt độ thấp thường xảy ra trong phóng điện hồ quang

 Để plasma có tính ion hóa mạnh thì:

ei: tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với ion

eo: tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với hạt trung hòa

 Theo quan điểm nhiệt động học có hai loại là plasma cân bằng và plasma không cân bằng:

 Plasma cân bằng (hoặc plasma đẳng nhiệt) là trong đó các hạt có cùng nhiệt độ,trung hòa về điện vì các hạt mang điện mất đi luôn được bù lại do quá trình ion hóa, nó tồn tại mà không cần lấy năng lượng từ bên ngoài

 Plasma không cân bằng (hoặc plasma bất đẳng nhiệt): không trung hòa về điện, nhưng sự phá vỡ trung hòa đó không phải là lớn, nó tồn tại cần có năng lượng

từ bên ngoài, nếu không nhận được năng lượng từ bên ngoài thì plasma sẽ tự mất đi

-Vậy điều kiện gần trung hòa là một trong những điều kiện cơ bản của plasma ta có thể định nghĩa “plasma là một tập hợp các ion, điện tử và các hạt trung hòa tương tác với nhau và với trường bức xạ” Tuy nhiên định nghĩa này chưa nói lên được những tính chất cơ bản của plasma, ta cần tìm hiểu thêm về màn tĩnh điện

-Nếu bỏ qua lực tương tác phân tử ta có:

kT r

r : khoảng cách trung bình giữa các hạt

3 1

1

N

r 

Trang 23

Zie: độ dày của lớp tiếp xúc

-Xét một hạt bất kì: sẽ có một lớp điện tích hình cầu sinh ra xung quanh hạt, độ dày của lớp này phụ thuộc vào nhiệt và nồng độ hạt Độ dày của lớp tiếp xúc phải giúp

nó chứa đủ số hạt khác dấu, có khả năng làm màn chắn trường cho hạt Bán kính của hình cầu đó được gọi là bán kính Debye

1 2

) (

ie ie

ie

n Z

KT D

D D

Trang 24

năng làm màn chắn thì lúc này nó không còn gọi là plasma Vậy plasma phải thỏa mãn điều kiện sau:

-Thỏa mãn điều kiện gần trung hòa

-Bán kính Debye phải nhỏ hơn nhiều lần so với kích thước của miền chứa tập hợp đó D<<L

1.2.2 Sự tương tác giữa các hạt trong plasma

a) Tiết diện hiệu dụng

Khái niệm về tiết diện hiệu dụng trong va chạm là rất quan trọng Nó đặc trưng cho quá trình va chạm trong chất khí Để đơn giản vạch ra ý nghĩa hình học của tiết diện hiệu dụng Sự va chạm giữa hai hạt khi gặp nhau sẽ xảy ra nếu khoảng cách giữa hai tâm nhỏ hơn hoặc bằng một khoảng cách cực tiểu nào đó Khoảng cách cực tiểu này là bán kính hiệu dụng của sự va chạm Nếu các hạt có dạng như quả cầu đàn hồi

có bán kính là r1, r2, sự va chạm sẽ xảy ra khi các hạt cách nhau một khoảng nhỏ hơn

r1+r2.

Khi đó:  = (r1+r2)2

: Tiết diện hiệu dụng

b) Khoảng đường tự do trung bình

Khoảng đường tự do trung bình của hạt được xác định như tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó Tiết diện hiệu dụng càng lớn thì sự va chạm xảy ra càng nhiều, sự va chạm của các hạt xảy ra càng nhiều thì khoảng đường tự do trung bình càng nhỏ Như vậy khoảng đường tự do trung bình () phải phụ thuộc vào tiết diện hiệu dụng () và mật độ của các hạt (N):

Trang 25

d) Sự truyền điện tích của hạt

Sự chuyển điện tích của hạt là sự truyền điện tích từ ion chuyển động nhanh cho các nguyên tử chuyển động chậm Kết quả là ion có năng lượng cao có thể biến thành nguyên tử trung hòa, ion mới được hình thành trong plasma có năng lượng thấp Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong plasma phản ứng nhiệt hạch

An+ + ->A(n-1)+ + M+

Từ khảo sát chúng ta kết luận rằng cùng với sự tăng lên của vận tốc proton, lúc đầu tiết diện trao đổi điện tích được tăng nhanh khi vận tốc proton đạt đến một giá trị nào đó thì tiết diện đạt giá trị cực đại và sau đó bắt đầu giảm xuống nhanh Vận tốc proton tại đó tiết diện hiệu dụng lớn nhất được gọi là vận tốc tối ưu

+ Plasma đậm đặc: Sự ion hóa chất khí sinh ra do tác dụng va chạm giữa các nguyên

tử hoặc nguyên tử trung hòa với các electron

Trang 26

+ Plasma quá loãng: Tác dụng bức xạ cực ngắn là nguyên nhân gây ra sự ion hóa

1.2.3 Phân loại Plasma

Có hai plasma là plasma nhiệt độ thấp (plasma lạnh) và plasma nhiệt độ cao (plasma nhiệt):

+ Phạm vi nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma lạnh Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân

tử trong chất khí bị ion hóa và chất khí chuyển sang trạng thái plasma Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa Thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma

Hình 7: Tia Plasma nhiệt độ thấp

+ Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử

ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nhiệt Khi nhiệt độ tăng dần, các electron

bị tách ra khỏi nguyên tử và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa

Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron

đã tách rời khỏi các hạt nhân

Trang 27

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn 105 độ K, thường gặp các máy cắt plasma, ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch

Hình 8: Plasma nhiệt độ cao 1.3 Ứng dụng

Plasma lạnh:

Plasma được tạo ra trực tiếp trong môi trường nước nên quá trình xử lý nhanh

và hiệu quả Plasma lạnh được sử dụng cho việc khử trùng nước nhằm tiêu diệt các

vi khuẩn (E coli, S aureus, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus mutans, nấm men (Candida albicans), nấm (Aspergillus niger) và tảo xanh Một nghiên cứu plasma

đã chứng minh rằng với các tia plasma sử dụng để diệt khuẩn thì nồng độ E coli trong nước giảm nhanh chóng Đồng thời, nước được xử lý bằng plasma có một “sức đề kháng” kéo dài với E coli thậm chí vài giờ sau khi có tác dụng plasma Các tác dụng tiệt trùng của plasma lạnh có khả năng hoạt động trên cả điện áp xoay chiều AC và một chiều DC

Plasma lạnh còn được ứng dụng trong y học như một dạng "thuốc plasma" cho các thiết bị phẫu thuật, giúp vết thương nhanh lành, khử trùng các bề mặt bệnh

và qua trình khử trùng được tiến hành ở áp suất khí quyển Xử lý bằng plasma lạnh

là một cách làm tối ưu và không đau nhằm khử trùng vết thương, thúc đẩy làm lành

Trang 28

nhanh vết thương, chống viêm, kháng khuẩn, kích thích mô Tính năng thuận lợi của điều trị plasma là mật độ plasma cao hơn cũng như gây ra dòng điện tần số cao lên

da Điều này là do tác động kết hợp của bức xạ cực tím, ôxy và nitơ phản ứng và các lĩnh vực điện Việc sử dụng điều trị plasma trực tiếp để khử trùng da ở bệnh chàm dị ứng (viêm da superinfected) đã được chứng minh là rất hiệu quả, không có tác dụng phụ

1.3.1 Công nghệ xử lí nước bằng plasma lạnh

a) Các phương pháp tạo plasma lạnh

Phương pháp thông dụng nhất để tạo plasma là cung cấp năng lượng điện cho chất khí trong một buồng phản ứng plasma Điện tử sản sinh trong quá trình phát plasma sẽ được gia tốc trong điện trường ngoài và quá trình truyền năng lượng xảy

ra do có sự va đập của chúng với các hạt khác trong khối plasma

b) Plasma phóng điện AC và DC

Tùy theo thời gian phụ thuộc vào tính bền vững của điện trường ngoài, có thể phân loại plasma phóng điện thành plasma phóng điện một chiều (DC) hay plasma phóng điện xoay chiều (AC) Plasma phóng điện phát sáng DC bình thường ở áp suất thấp giữa hai tấm điện cực trong ống trụ thủy tinh là nguyên mẫu đầu tiên về plasma phóng điện DC và đã được nghiên cứu mạnh mẽ Plasma phóng điện được ổn định thông qua điện trường thay đổi theo thời gian được gọi là plasma phóng điện xung hay plasma phóng điện AC

c) Xử lí nước bằng plasma

Plasma dùng trong việc xử lí nước, khí thải, vì thế plasma lạnh đã trở thành mối quan tâm trên toàn cầu và hứa hẹn nhiều ứng dụng khác trong tương lai Công nghệ plasma tạo ra gốc tự do có lực oxy hóa rất mạnh, đồng thời tạo ra hiện tượng sóng xung kích (shockwaves), tia cực tím (UV) và hiện tượng phá vỡ lên kết hóa học (vòng benzen) bởi các va chạm mạnh của các hạt electron và ion Nhờ đó có thể phá

vỡ các thành phần hóa học độc hại và diệt vi khuẩn trong nước uống Các tạp chất bị đốt trực tiếp trong môi trường plasma nên nước sau khi xử lý không bị chuyển màu theo thời gian

Trang 29

Hình 9: Mô hình xử lí nước bằng plasma lạnh

Trang 30

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỆN CAO ÁP KIỂU ĐIỆN TỪ

2.1 Xây dựng mô hình

2.1.1 Sơ đồ khối cơ bản

Theo như trình bày ở trên (mục 1.1 - chương 1) ta ghép từng phần (biến áp đánh lửa, mạch snubber và mạch tạo xung) lại với nhau và thêm một số chi tiết để hoàn chỉnh mạch tạo xung cao áp như sơ đồ khối bên dưới hình 10:

Hình 10: Sơ đồ khối cơ bản

Nguồn

điện

DC

Khóa đóng ngắt

Mạch tạo xung vuông

Cuộn dây Đầu ra

cao áp

Điện trở cuộn dây

Công

tắc

chính

Trang 31

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguồn một chiều (DC) qua công tắc chính, từ đó dòng điện chạy từ từ qua cuộn dây sơ cấp có điện trở (vì cuộn dây có độ tự cảm L và nó chống lại sự tăng của cường độ dòng điện) và sau đó đến mosfet Tại thời điểm mạch tạo xung vuông

ở mức cao thì khóa đóng (mosfet dẫn) cho dòng điện đi qua nó và cuối cùng đến cực

âm (-) của nguồn

Hình 11 mô tả sơ đồ nguyên lý phương pháp tạo xung cao áp ở tần số cao

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tạo xung cao áp

Mạch có cấu tạo bởi 1 van đóng cắt và một biến áp bobin Biến áp bobin dùng

để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra Do đây là điện áp nguồn một chiều chạy qua cuộn dây có độ tự cảm L, nhờ vào việc đóng - mở liên tục (dòng điện tăng giảm dần khi khóa đóng - mở và việc tăng giảm dòng điện phụ thuộc vào thời gian đóng – mở) nên dòng điện bị dao động và tạo ra từ thông thay đổi Sức phản điện sinh ra trong quá trình đóng - mở trên cuộn dây thay đổi

Khi “ Khóa đóng” thì dòng điện trong cuộn sơ cấp tăng dần lên Cực tính của cuộn sơ cấp có chiều như hình vẽ trên và khi đó bên cuộn thứ cấp không có điện áp hoặc có giá trị rất nhỏ

Khi “Khóa mở” cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột làm xuất hiện sức phản điện và lúc đó bên thứ cấp điện áp cảm ứng được sinh ra

2.2 Thiết kế mô hình

Trang 32

Từ sơ đồ khối hình 10 trên ta thay thế bằng sơ đồ chi tiết sau

Hình 12: Mạch nguyên lý của bộ nguồn

2.2.1 Lý thuyết và tính toán chi tiết bộ nguồn

a) Lý thuyết

 Lý thuyết tính toán biến áp 220VAC-12VDC

 Thông số yêu cầu của máy biến áp

Trang 33

Hình 13: Hình dạng và thông số kích thước của lõi thép

Bảng 1: Thông số lõi thép kỹ thuật điện

a là chiều rộng trụ quấn dây 3,2 cm

b là chiều cao trụ quấn 5 cm

c là chiều dài trụ quấn 5 cm

Trang 34

Ta thấy Sdt> Sđm Như vậy, ta thấy mạch từ thỏa được công suất yêu cầu

Số vòng dây mỗi vôn

Dựa vào bề dày thép, ta chọn B = 1,2 (T) Ta chọn giá trị K theo B

Số vòng dây cuộn sơ cấp

 Tiết diện dây sơ cấp và thứ cấp

Bảng 3: Cho phép chọn mật độ dòng theo công suất máy biến áp

S (VA) 0-50 50-100 100-200 200-250 500-1000

Với công suất máy biến áp 73,926VA, ta chọn mật độ dòng J = 3,5(A/mm2)

Tiết diện dây cuộn sơ cấp: s1 = Sđm

η.U 1 J = 73,926

0,85.220.3,5= 0,113 (mm2)

Trang 35

Tiết diện dây cuộn thứ cấp: s2 =

J

I2

= 1,11.53,5 = 1,586 (mm2)

 Kiểm tra lại khoảng trống chứa dây

Diện tích cửa sổ lõi thép Slt= 0,75.(b.a/2)2 = 0,75 (50.32/2)2 = 600 mm2

Tổng diện tích cuộn sơ và cuộn thứ St

Cuộn sơ: Ssc=W1 s1 = 555 0,113 = 62,715 mm2

Cuộn thứ: Stc= W2 s2 = 31 1,586 = 49,166 mm2

Tổng St = Ssc + Sct = 111,881 mm2

→Slt >St (thỏa)

Bảng 4: Liệt kê vật liệu bộ nguồn DC

Tên vật liệu Đơn vị Giá trị

(Tài liệu tham khảo: “Kỹ thuật quấn dây” – Trần Duy Phụng, NXB Đà Nẵng)

 Lý thuyết tính các giá trị trong mạch xung

Trang 36

Hình 14: Khối nguồn xung vuông PWM

Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả

Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả

Hình 15: Sơ đồ mạch tương đương đơn giản

Từ mạch tương đương trên ta suy ra được:

Trang 37

→U1(t) = Vcc – (2Vcc – 0,7).e−

t R1C1

Xác định t để U1 = 0,7:

0,7 = Vcc – (2Vcc – 0,7).e−

t R1C1 → (2Vcc – 0,7).e−

t R1C1 = Vcc – 0,7

→t ≈ R1.C1.ln (2)

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính chu kỳ dao động của mạch là:

T = RCln(2)

Ở sơ đồ trên mạch tạo xung có thể điều chỉnh độ rộng xung thông qua biến trở

R1 ở điện áp khác không, tức là độ rộng xung khi mosfet dẫn có thể điều chỉnh thời gian để dòng điện qua mosfet đạt giá trị yêu cầu

Thời gian dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C nạp dòng qua R1

Tnạp = ln(2).R1 .C Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C xả dòng qua R2

Txả = ln(2).R2.C Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là:

Trang 38

Chọn tần số dao động đóng cắt của mạch là f = 500Hz, C1 = 0.022µF, T=0.002s, toff = 60(µs), ton = 1.94(ms) (thời gian mosfet dẫn để đạt dòng điện theo yêu cầu Ing = 3A)

 Dòng điện đầu vào cuộn dây khi mosfet đóng

Điện áp DC cấp nguồn cho mosfet khi đó là Uin, dòng điện i(t) được tính như sau:

Hình 16: Sơ đồ khi đóng nguồn điện mosfet dẫn

Phương trình vi phân khi mosfet mở sang đóng:

in

U dt

L

U dt

Trang 39

Đồ thị hình 17 cho ta thấy độ tự cảm L1 của cuộn sơ cấp càng lớn thì tốc độ tăng dòng sơ cấp i1 càng giảm và ngược lại độ tự cảm L1 càng nhỏ thì tốc độ tăng dòng i1 càng nhanh

Giá trị độ tự cảm của cuộn dây khi dòng điện đi qua mosfet theo thời gian:

Ta có:

)1

()

R

U t

Uin_max)

Với R1 =Uin_max −∆Umosfet

I ng Trong đó:

Uin-max là điện áp vào DC cao nhất cho phép

Umosfet = (1,5 2)V là độ sụt áp trên mosfet ở trạng thái bảo hòa

Ing làcường độ dòng điện sơ cấp khi mosfet ngắt Ing = 3A (theo yêu cầu)

ton là thời gian dòng điện dẫn

 Quá trình ngắt dòng cung cấp cho cuộn dây sơ cấp

Khi mosfet ngắt dòng điện sơ cấp thì từ thông do nó sinh ra giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện một hiệu điện thế cao Giá trị của hiệu điện thế thứ cấp phụ thuộc vào rất nhiều thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp Để tính toán hiệu điện thế cực đại, ta sử dụng sơ đồ tương đương bên dưới:

Hình 18: Sơ đồ khi ngắt nguồn điện qua mosfet

Trang 40

Theo sơ đồ tương đương mosfet chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt hình 18

ta lập được phương trình sau:

R1

→ K = UinRair

R1(R1+ Rair)Chuyển sang hàm gốc ta thu được dòng điện sơ cấp qua mosfet sau khi ngắt:

Rair là điện trở không khí khi ngắt

𝑅𝐿1là điện trở cuộn dây

toff là thời gian dòng điện giảm về không tương ứng với thời gian chuyển

từ trạng thái ngắt sang trạng thái đóng mosfet

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,49 MB