THIỆU TỔNG QUÁT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
NGUỒN XUNG KIỂU
Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu vào tức là V in 0) và chế độ gián đoạn (dòng qua thức cấp luôn bằng 0)
NGUỒN XUNG KIỂU : PUSH-PULL
Nguồn xung đươc truyền công suất gián tiếp qua biến áp, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra để cao hơn hoặc thấp hơn so với điện áp đầu vào.
Từ một điện áp đầu vào cũng có thể cho nhiều điện áp đầu ra Nó đƣợc gọi là nguồn đẩy kéo
Xét sơ đồ nguyên lý sau :
Nguồn xung loại Push-Pull sử dụng hai van để đóng cắt biến áp xung, mỗi van dẫn một nửa chu kỳ, tương tự như nguyên tắc của nguồn flyback Khi van A được mở và van B đóng, cuộn dây Np trên sơ cấp có điện, tạo ra điện áp đồng cực tính trên cuộn dây Ns ở thứ cấp, cung cấp dòng điện cho tải qua diode Ngược lại, khi van B mở và van A đóng, cuộn dây Np ở phía dưới sơ cấp cũng hoạt động tương tự, tạo ra dòng điện liên tục trên tải Nhờ vào khả năng đóng cắt liên tục của hai van, nguồn Push-Pull đạt hiệu suất biến đổi cao, phổ biến trong các bộ nguồn như UPS và Inverter.
Công thức tính cho nguồn Push-Pull:
Vout: Điện áp đầu ra –V
V in : Điện áp đầu vào - V n2 = Số vòng dây cuộn thứ cấp n 1 = Số vòng dây cuộn sơ cấp f = Tần số đóng cắt – Hertz
Ton,A = thời gian mở Van A – S
Ton,B = Thời gian mở Van B – S
Một số lưu ý khi dùng nguồn đẩy kéo:
Trong một thời điểm, chỉ một trong hai van A hoặc B được phép dẫn Mỗi van chỉ hoạt động trong một nửa chu kỳ; khi van A mở, van B phải đóng và ngược lại.
+Thời gian mở các van phải chính xác, giữa 2 van cần phải có thời gian chết để đảm bảo cho hai van không dẫn cùng.
BỘ BIẾN ĐỔI FULL-BRIDGE
Bộ biến đổi full-bridge thường được sử dụng cho các nguồn điện có công suất lớn hơn 1000 W Khi Q1 và Q4 dẫn dòng điện qua cuộn sơ cấp, chúng đồng thời cảm ứng sang cuộn dây thứ cấp, tạo ra điện áp cùng cực tính Tương tự, khi Q2 và Q3 dẫn điện, cuộn dây phía dưới sơ cấp cũng cảm ứng sang cuộn dây phía dưới thứ cấp, với điện áp sinh ra cũng có cùng cực tính.
Hình 1.5: Bộ biến đổi ful-bridge
Công thức tính cho bộ nguồn full-bridge:
Vout = Điện áp đầu ra – V
Vin = Điện áp đầu vào – V n2 = 0,5 x số vòng dây cuộn thứ cấp n1 = số vòng dây cuộn sơ cấp f = tần số đóng cắt- Hz
Ton, Q1 = thời gian dẫn của Q1 – s
Ton, Q2 = thời gian dẫn của Q2- s
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO Ô TÔ ĐIỆN
Khối mạch điện công suất trên xe ô tô điện bao gồm ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ điện và DC-link Để kết nối các hệ thống này và tối ưu hóa việc điều khiển dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của ô tô, cần thiết phải sử dụng các bộ biến đổi DC.
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều (Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter) có khả năng tăng và hạ áp với nhiều chức năng khác nhau Hệ thống nguồn tổng thể, như được mô tả trong Hình 1, bao gồm ắc quy, siêu tụ và bộ biến đổi DC-DC hai chiều.
Hình 1.6: Hệ thống nguồn năng lƣợng với các chế độ hoạt động
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều có vai trò quan trọng trong hệ thống, giúp giảm điện áp siêu tụ và huy động công suất lớn trong quá trình tăng tốc Điện áp DC-link cần thiết cho động cơ hoạt động là 300VDC, nhưng trong quá trình hãm tái sinh, điện áp này có thể tăng lên 600VDC Việc kết nối trực tiếp siêu tụ vào DC-link yêu cầu siêu tụ phải chịu được 600VDC, trong khi hầu hết siêu tụ chỉ có điện áp tối đa khoảng 125VDC Kết nối nhiều module để đạt 600VDC sẽ làm tăng chi phí và khó khăn trong việc cân bằng điện áp, có thể dẫn đến nguy cơ nổ siêu tụ Do đó, bộ biến đổi DC-DC hạ điện áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai module nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh và huy động công suất lớn từ siêu tụ, giúp tăng tốc cho xe mà không làm giảm tuổi thọ của ắc quy.
Bộ biến đổi giữa ắc quy và DC-link đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối dòng năng lượng nạp vào ắc quy trong quá trình hãm tái sinh, đồng thời nâng điện áp từ ắc quy lên DC-link Mặc dù ắc quy có mật độ năng lượng cao, nhưng mật độ công suất của nó lại thấp, dẫn đến khả năng tích trữ lớn nhưng hạn chế trong việc phóng và nạp năng lượng Trong quá trình hãm tái sinh, năng lượng lớn sẽ được nạp nhanh chóng vào siêu tụ, trong khi chỉ một lượng nhỏ được nạp vào ắc quy để bảo đảm tuổi thọ Bộ biến đổi DC-DC cũng giúp hạ cấp điện áp trên bộ ắc quy, tránh việc đấu nối tiếp nhiều ắc quy và dễ dàng hơn trong việc cân bằng tải.
Hình 1.7: Hệ thống nguồn năng lƣợng cho ô tô điện
Để quản lý và điều khiển nguồn năng lượng hiệu quả, cần có sự đồng bộ giữa các bộ biến đổi, như thể hiện trong Hình 1.6 Mạch đo và giám sát trạng thái ắc quy thực hiện việc đo lường và thu thập các giá trị như nhiệt độ, dòng điện, điện áp phóng và nạp ắc quy, sau đó truyền thông tin về bộ điều khiển trung tâm để giám sát và điều tiết Bộ điều khiển dòng năng lượng tiếp nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, dựa vào thông tin về dòng điện và điện áp một chiều để tính toán và phát ra xung PWM, điều khiển hai bộ biến đổi DC-DC tăng/hạ áp hai chiều.
Bộ điều khiển dòng năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối và quản lý dòng năng lượng giữa nguồn và tải, đồng thời tối ưu hóa quá trình trao đổi năng lượng trong các chế độ hoạt động khác nhau.
Hình 1.8: Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều có cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động đơn giản, được minh họa trong các hình 1.8, 1.9, 1.10 Chế độ boost (tăng áp) hoạt động bằng cách mở van IGBT T2 để nạp điện cho cuộn kháng Sau khi T2 khóa lại, cuộn kháng phóng điện qua diode D1 để nạp điện vào tụ Trong chu kỳ tiếp theo, quá trình này được lặp lại, và tụ không thể phóng điện ngược trở lại do T1 không mở và D1 phân cực ngược.
Điện áp của tụ sẽ tăng dần trong chế độ hoạt động tăng áp Trong chế độ buck (hạ áp), đầu tiên T1 được mở để tụ phóng điện qua cuộn cảm và nạp vào ắc quy Khi T1 khóa lại, năng lượng dư thừa trong cuộn cảm sẽ được giải phóng qua D2 Tỷ lệ đóng cắt (duty cycle) sẽ quyết định rằng điện áp trên ắc quy sẽ thấp hơn điện áp trên tụ với một tỷ lệ tương ứng.
Hình 1.9: Minh họa chế độ hoạt động tăng áp
Hình 1.10: Minh họa chế độ hoạt động hạ áp
Hệ biến tần cho ô tô điện có cấu trúc tương tự như các hệ biến tần khác, bao gồm bộ nghịch lưu (Inverter) hay bộ biến đổi DC – AC, với chức năng chuyển đổi nguồn điện một chiều từ ắc quy hoặc siêu tụ điện thành nguồn điện xoay chiều cho động cơ điện Tùy thuộc vào loại động cơ, bộ biến đổi có thể được gọi bằng các tên khác nhau, như Bộ chuyển mạch (Commutator) cho động cơ điện dạng sóng hình thang (BLDC Motor) Mặc dù có nhiều loại, nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi này đều giống nhau, bao gồm hai khối chính: khối công suất và khối điều khiển Khối công suất thường sử dụng van bán dẫn IGBT, trong khi khối điều khiển áp dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) để điều khiển các van công suất theo các luật điều khiển như giữ tỷ số V/f hằng số, điều khiển từ thông roto, và điều khiển mômen.
Hình 1.11: Cấu trúc tổng quát của biến tần
Biến tần cho ô tô điện có cấu trúc và phương pháp điều khiển khác biệt so với biến tần trong công nghiệp, nhằm phù hợp với đặc tính tải Hệ thống biến đổi và động cơ có thể đạt hiệu suất tối ưu lên tới 90-92%, nhờ vào đặc tính hyperbol của chúng.
ẮC QUY VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
MỞ ĐẦU
Acquy được cấu tạo từ nhiều ngăn nhỏ kết hợp với nhau, mỗi ngăn bao gồm hai bản cực (cực dương và cực âm) được nhúng trong dung dịch điện phân Sự tương tác giữa các bản cực và dung dịch điện phân tạo ra dòng điện một chiều Đối với các acquy có khả năng sạc, quá trình hóa học diễn ra ngược lại khi dòng điện được cung cấp vào acquy.
Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất
2.1.2 Các thông số của acquy a Điện áp
Mỗi ngăn acquy có một điện áp nhỏ và được nối tiếp với nhau để tạo ra điện áp yêu cầu, thường là 6V hoặc 12V trên xe hơi Khi dòng điện được sử dụng, điện áp sẽ giảm, nhưng khi acquy được sạc, điện áp sẽ tăng trở lại.
Hình 2.1: Mạch tương đương của acquy
Acquy có suất điện động E ổn định, nhưng điện áp giữa hai bản cực là V, phụ thuộc vào điện trở trong và dòng điện I chảy ra Điện áp trên hai bản cực của acquy có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Khi dòng điện I = 0, điện áp giữa hai bản cực được coi là E, tức là điện áp hở mạch Khi acquy được sạc, điện áp sạc sẽ tăng lên do hiệu ứng IR Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất, điện trở trong của acquy cần phải càng nhỏ càng tốt.
Điện áp không phải là một hằng số cố định mà bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc và nhiều yếu tố khác như nhiệt độ Khả năng tích điện của acquy, được đo bằng coulomb, là một thông số quan trọng quyết định hiệu suất của nó Tuy nhiên, vì coulomb là đơn vị nhỏ, nên thường sử dụng amphour để biểu thị dung lượng Ví dụ, một acquy có dung lượng 10 amphours có thể cung cấp dòng 1 ampe trong 10 giờ, 2 ampe trong 5 giờ, hoặc 10 ampe trong 1 giờ.
Nhƣng thực tế theo nhƣ thông số là 10Amphours, nếu nhƣ 10Ampe đƣợc lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ
Dung lượng của acquy 100Amphour bị ảnh hưởng bởi tốc độ lấy điện, với khả năng cung cấp chỉ khoảng 70Amphours khi phóng điện trong 1 giờ, nhưng có thể lên tới 110Amphours nếu phóng điện trong khoảng 20 giờ Hiện tượng này xảy ra do các phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy, đặc biệt rõ rệt ở acquy chì axit, nhưng cũng xảy ra ở tất cả các loại acquy Hiệu suất năng lượng là tỷ lệ giữa năng lượng cung cấp cho tải và năng lượng nạp vào trước khi phóng điện, trong khi tỷ lệ tự phóng điện cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
Hầu hết các loại acquy đều bị tự xả khi không sử dụng, cho thấy rằng chúng không thể để lâu mà không được nạp Tỷ lệ tự xả này phụ thuộc vào loại acquy và nhiệt độ môi trường, bao gồm cả nhiệt độ khi hoạt động và làm mát.
Nhiều loại acquy có khả năng hoạt động ở nhiệt độ môi trường, nhưng một số cần nhiệt độ cao hơn để sử dụng và phải được làm mát trong quá trình hoạt động Hiệu suất của acquy sẽ giảm đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ thấp Do đó, khi lựa chọn acquy, cần cân nhắc đến các yếu tố như tuổi thọ và số lần nạp lại.
Hầu hết acquy chỉ có thể nạp lại từ vài trăm lần, và số lần nạp lại này phụ thuộc vào loại acquy, thiết kế chi tiết cũng như cách sử dụng của nó Đây là thông tin quan trọng trong các thông số kỹ thuật của acquy.
CÁC LOẠI ẮC QUY
Ắc quy chì axit là loại acquy phổ biến nhất trong các phương tiện giao thông Cấu trúc của ắc quy này bao gồm cực âm làm từ chì và cực dương từ chì oxit, được ngâm trong dung dịch điện phân loãng axit sunfuric Quá trình phản ứng giữa axit sunfuric, chì và chì oxit tạo ra chì sunfat và nước, đồng thời sinh ra năng lượng.
Phản ứng trên đƣợc mô tả trên hình 2.2
Hình 2.2: Phản ứng trên mỗi cực acquy
Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần,
Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit
Ắc quy chì axit được sử dụng phổ biến nhờ vào độ tin cậy cao, chi phí sản xuất thấp và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn Những đặc điểm nổi bật của ắc quy chì axit làm cho nó trở thành lựa chọn ưu việt trong nhiều ứng dụng.
Các phản ứng trong acquy không chỉ diễn ra như trên hình vẽ, mà cả hai cực đều tác dụng với axit sunfuric, mặc dù tốc độ diễn ra rất chậm Ở cực dương, phản ứng là 2PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + O2, trong khi ở cực âm, phản ứng là Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2 Đây là quá trình tự phóng của acquy, và tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiệt độ của acquy; nhiệt độ càng cao thì phản ứng diễn ra càng nhanh, cùng với sự nguyên chất của các linh kiện.
Khi acquy đã được sạc đầy, việc tiếp tục sạc sẽ không còn chì sunfat để nhận electron, dẫn đến sự hình thành khí H2 và O2 Điều này làm cho dung dịch trong acquy dần cạn kiệt.
Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel, được phát triển từ nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Các loại acquy này được chế tạo từ kim loại nickel, nickel – kẽm và nickel-cadmium.
Acquy nicken-cadimi Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhƣng nó có chỉ số năng lƣợng riêng gấp đôi acquy chì
Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dương và cadimi làm cực âm, năng lƣợng điện thu đƣợc qua phản ứng sau:
Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
NiCad acquy đƣợc ứng dụng khá rộng rãi, có số lần nạp lại khỏang
Pin này có khả năng hoạt động tới 2500 lần, với nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến +80°C Nó có chỉ số tự phóng thấp, cho phép lưu trữ năng lượng lâu dài Thời gian sạc đầy chỉ mất 1 giờ, và có thể sạc đến 60% chỉ trong 20 phút.
Mỗi ngăn acquy chỉ cung cấp điện áp khoảng 1.2V, vì vậy cần 10 ngăn để đạt được điện áp 12V Hơn nữa, Cd là một chất gây ô nhiễm môi trường và có khả năng gây ung thư, điều này làm tăng chi phí sản xuất acquy.
Acquy natri lưu huỳnh, phát triển vào những năm 1980, sử dụng dung dịch natri làm cực âm và hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao Với cực làm từ natri lỏng bên trong hình dạng sứ, loại acquy này rất độc hại, do đó không được ứng dụng trong điện thoại di động hay laptop.
Bắt đầu đƣợc phát triển vào những năm 1970, chúng hoạt động ở nhiệt độ 300 - 350 để giữ đƣợc nhiệt độ nhƣ vậy chúng đƣợc đóng kín vào một hộp chân không
Cực dương gồm natri lỏng, cực âm gồm dung dịch lưu huỳnh
Năng lượng điện được giải phóng qua sự kết hợp giữa natri và lưu huỳnh tạo thành natri sulphide
Do yêu cầu nhiệt độ cao, các loại acquy nhỏ không thể chế tạo được, vì vậy việc làm nóng và làm mát cho acquy cần được thiết kế cẩn thận Hơn nữa, sự nguy hiểm của natri và lưu huỳnh đã khiến loại acquy này không còn xuất hiện trên thị trường.
Acquy zebra sử dụng nickel chloride cho cực dương và natri lỏng cho cực âm Năng lượng được sản sinh từ phản ứng hóa học giữa natri và nickel chloride.
Phản ứng giữa 2Na và NiCl2 tạo ra Ni và 2NaCl, với điện áp ban đầu khoảng 2.5V Tuy nhiên, trong giai đoạn sau, phản ứng trở nên phức tạp do các ion nhôm trong dung dịch điện phân làm giảm điện áp xuống còn khoảng 1.6V, đồng thời điện trở trong của acquy cũng tăng lên.
Một nhƣợc điểm lớn nữa của Zebra acquy là chúng hoạt động ở nhiệt độ 320*C
Từ cuối thập niên 1980, acquy lithium đã xuất hiện trên thị trường với mật độ năng lượng vượt trội so với các loại acquy khác Chúng ngày càng phổ biến trong các thiết bị như laptop cao cấp và điện thoại di động, thay thế cho các loại acquy NiCad và NiMH Một trong những loại acquy nổi bật là acquy Li-polymer.
Acquy Li-polymer sử dụng lithium làm cực âm và một oxit kim loại khác làm cực dương, tạo ra phản ứng hóa học giữa lithium và oxit kim loại, giải phóng năng lượng Khi acquy được sạc, phản ứng hóa học diễn ra theo chiều ngược lại, với phương trình xLi + MyOz ⇌ LixMyOz.
Hình dạng của cực Liti gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của acquy này, dẫn đến tình trạng thụ động và hiệu suất hoạt động giảm Do đó, acquy Li-ion đã trở thành lựa chọn thay thế phổ biến hơn.
Acquy Li-ion, được ra mắt vào đầu những năm 1990, sử dụng oxit Liti làm cực dương và Liti Cacbon cho cực âm Dung dịch điện phân của acquy này có thể là một dung dịch hữu cơ hoặc một loại polymer rắn.
Năng lƣợng đƣợc giải phóng từ phản ứng giữa Liti cacbon và oxit liti
CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC ẮC QUY
2.3.1 Phương pháp phóng nạp a Phóng điện ắc quy
Phóng điện có thể xảy ra bất kỳ lúc nào và với bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn giá trị được ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi thực hiện phóng điện trong chế độ 3 giờ hoặc lâu hơn, quá trình phóng có thể tiếp tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống còn 1,8V Đối với chế độ phóng 1,2 giờ, việc phóng sẽ dừng lại khi điện thế ở mỗi ngăn đạt mức 1,75V.
Khi phóng điện với dòng nhỏ, việc xác định kết thúc phóng không dựa vào điện thế mà dựa vào tỷ trọng chất điện phân Kết thúc phóng xảy ra khi tỷ trọng giảm từ 0,03 đến 0,06 g/cm³ so với tỷ trọng ban đầu, đồng thời điện thế mỗi ngăn không được giảm xuống dưới 1,75V.
Việc nạp ắc quy lần sau đƣợc tiến hành sau khi phóng thử dung lƣợng ắc quy nhƣng không đƣợc quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng
Tùy thuộc vào phương pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, quá trình nạp ắc quy có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau.
Nạp với dòng điện không đổi
Nạp với dòng điện giảm dần
Nạp với điện thế không đổi
Nạp thay đổi với điện thế không đổi c Nạp với dòng điện không đổi
Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước
Nạp kiểu 1 bước: Để dòng nạp không vƣợt quá 12 % của dung lƣợng phóng mức 10 giờ tức là 0,12 C 10
Bước 1: Để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp nhƣng không vƣợt quá 0,25 C10 Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4V thì chuyển sang bước 2
Để quá trình nạp ắc quy diễn ra an toàn, dòng điện không được vượt quá 0,12C Cuối thời gian nạp, điện thế của ắc quy sẽ đạt từ 2,6 đến 2,8V, trong khi tỷ trọng tăng lên từ 1,200 đến 1,210 g/cm³ Trong quá trình này, hiện tượng bốc khí giữa các bản cực ắc quy xảy ra mạnh mẽ Nạp ắc quy được coi là hoàn tất khi điện thế và tỷ trọng ngừng tăng trong khoảng một giờ Sau khi nghỉ nạp một giờ, ắc quy sẽ bắt đầu sôi ngay lập tức khi được nạp lại.
Thời gian nạp ắc quy đã phóng hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp nạp Với phương pháp nạp 1 bước ở dòng 0,12C10, thời gian nạp khoảng 12 giờ Trong khi đó, nạp 2 bước với dòng 0,25C10 và 0,12C10 chỉ mất khoảng 7 – 8 giờ Nếu dòng điện nạp giảm xuống, thời gian nạp sẽ tăng lên tương ứng.
Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, bắt đầu từ 0,25C10 và sau đó là 0,12C10 Khi sử dụng giá trị dòng nạp nhỏ, thời gian nạp sẽ tăng lên tương ứng Dấu hiệu kết thúc quá trình nạp cũng tương tự như trường hợp nạp với dòng điện không đổi Hơn nữa, nạp có thể được thực hiện với điện thế không đổi.
Nạp ắc quy với điện thế không đổi được thực hiện bằng thiết bị nạp ở chế độ ổn áp, với điện thế duy trì từ 2,2 – 2,35V cho ắc quy chì axít Quá trình nạp kéo dài vài ngày đêm, trong đó 80% dung lượng bị mất có thể được phục hồi trong 10 giờ đầu tiên Việc nạp có thể kết thúc khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên sau 10 giờ.
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:
Bước 1: Dòng điện nạp đƣợc hạn chế ở 0,25C 10 , còn điện thế thay đổi tăng tự do Cho đến khi điện thế ắc quy tăng lên đến 2,2 – 2,35V thì chuyển sang bước 2
Bước 2: Nạp với điện thế không đổi là quá trình tự động hóa bằng thiết bị nạp có ổn định điện thế và giới hạn dòng điện Đối với bình ắc quy tĩnh, chế độ phụ nạp thường xuyên được áp dụng, trong đó ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp, giúp tăng tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy, đồng thời giảm chi phí bảo trì Trước khi vào chế độ phụ nạp, cần thực hiện phóng nạp tập dượt 4 lần để đảm bảo chất lượng ắc quy Trong quá trình vận hành, ắc quy không cần phóng nạp tập dượt hay nạp lại Nếu chất lượng ắc quy giảm sau thời gian dài, cần thực hiện phóng nạp đột xuất Để duy trì ắc quy luôn ở trạng thái đầy, điện thế trên mỗi bình ắc quy cần được giữ ở mức 2,2 ± 0,05V, nhằm bù trừ sự tự phóng.
Dòng điện phụ nạp thường được duy trì ở mức 50 – 100 mA cho mỗi 100 Ah Trong chế độ phụ nạp này, điện thế trên ắc quy cần được duy trì tự động trong khoảng ±2%.
Việc kiểm tra dung lượng thực tế của ắc quy nên được thực hiện từ 1 đến 2 năm một lần, hoặc khi có nghi ngờ về hiệu suất của ắc quy Dòng điện phóng cần được giới hạn trong khoảng thời gian từ 3 đến 10 giờ Để đảm bảo đánh giá chính xác dung lượng phóng, cần thực hiện nhiều lần phóng ở cùng một chế độ.
Dung lƣợng quy đổi đƣợc tính theo công thức: C 20 = C t /(1+0,008 ( t -
20 ) ) Với C 20 là dung lƣợng ở 20 0 C, Ct là dung lƣợng ở t 0 C h Chế độ phóng nạp xen kẽ Ắc quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc quy thường xuyên phóng vào
1 phụ tải nào đó sau khi đã ngƣng nạp Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại
Trong trường hợp sử dụng ắc quy không thường xuyên, cần thực hiện phụ nạp mỗi tháng với dòng điện không đổi là 0,1 C10 Quy trình nạp được xác định dựa trên các điều kiện đã nêu trước đó, nhằm loại bỏ hiện tượng sun phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại ắc quy nên được thực hiện mỗi 3 tháng một lần hoặc khi ắc quy bị phóng với dòng phóng lớn hơn mức cho phép.
VAI TRÒ CỦA ẮC QUY TRONG Ô TÔ
a Hệ thống khởi động ô tô
Hệ thống khởi động ô tô là thiết bị cần thiết để động cơ đốt trong có thể hoạt động, vì động cơ này không thể tự khởi động mà cần một lực bên ngoài Lực này được cung cấp bởi mô-tơ điện một chiều, thường gọi là mô-tơ đề Để khởi động động cơ, trục khuỷu phải đạt tốc độ quay tối thiểu, thường từ 40-60 vòng/phút đối với động cơ xăng và từ 80-100 vòng/phút đối với động cơ diesel, tùy thuộc vào cấu trúc và tình trạng của động cơ Ắc quy ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho mô-tơ đề.
Acquy chì acide là thiết bị hoá điện tạo ra hiệu điện thế và phân phối cường độ dòng điện, đóng vai trò là nguồn năng lượng sơ cấp cho ô tô hiện nay Điều quan trọng cần nhớ là acquy không lưu trữ điện mà chỉ lưu trữ năng lượng hóa học, từ đó sinh ra quá trình điện hoá Cụ thể, phản ứng giữa chì và dung dịch acide tạo ra hiệu điện thế, chuyển hoá năng lượng thành điện năng, là cơ sở hoạt động của các loại acquy trên ô tô.
Acquy cung cấp điện trong các trường hợp khác nhau: khi động cơ ngừng hoạt động, acquy cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng và các thiết bị điện phụ; trong quá trình khởi động, acquy cung cấp điện cho máy khởi động và hệ thống đánh lửa; và khi động cơ đang hoạt động, acquy hỗ trợ hệ thống nạp khi nhu cầu tải điện vượt quá khả năng của hệ thống nạp Cả acquy và máy phát đều hoạt động cùng nhau để đáp ứng nhu cầu điện cao.
MOSFET
2.5.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Hình 2.3: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của MOSFET
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET sử dụng cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển rất nhỏ Cấu trúc và ký hiệu của MOSFET được thể hiện trong Hình 1, trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn bởi lớp điện môi dioxit-silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D, với cực máng là nơi tiếp nhận các hạt mang điện Điện trở giữa cực G và cực D của MOSFET là vô cùng lớn, trong khi điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch UGS Khi UGS=0, điện trở RDS rất lớn; khi UGS>0, điện trở RDS giảm do hiệu ứng từ trường, và điện trở này càng nhỏ khi điện áp UGS càng lớn.
Nếu kênh dẫn N, các hạt mang điện sẽ là điện tử (electron), dẫn đến cực tính điện áp của cực máng sẽ dương so với cực gốc.
MOSFET công suất thường sử dụng kênh dẫn kiểu N, mặc dù cũng có loại kênh dẫn kiểu P Một trong những ưu điểm nổi bật của MOSFET là khả năng đóng cắt với tần số cao, cùng với mạch điều khiển đơn giản nhờ vào việc điều khiển bằng điện áp Dòng điện điều khiển hoàn toàn cách ly với dòng trên cực máng, do đó khi MOSFET dẫn, không cần duy trì dòng điện như trong trường hợp của transistor lưỡng cực.
Một thông số quan trọng của MOSFET công suất là điện trở tự nhiên bên trong thiết bị Điện áp rơi giữa cực máng D và cực gốc S có mối quan hệ tỉ lệ tuyến tính với dòng chảy qua kênh dẫn.
Mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện của MOSFET được đặc trưng bởi thông số RDS(ON) được ghi trong datasheet của thiết bị Thông số này thể hiện điện trở của MOSFET tại một điện áp VGS nhất định và nhiệt độ nhất định, giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Khi dòng điện qua MOSFET tăng thì nhiệt độ trên lớp bán dẫn tăng và do đó điện trở RDS(ON) cũng tăng theo
Hình 2.4: Kí hiệu quy ƣớc và hình dáng của MOSFET a Các thông số của MOSFET
Khi sử dụng MOSFET trong các thiết bị điện tử công suất, thời gian đóng cắt của MOSFET là thông số quan trọng nhất cần chú ý, thường dao động từ 10ns đến 60ns.
Bên cạnh đó còn có các thông số quan trọng khác nhƣ: Điện áp lớn nhất trên hai cực D,S của MOSFET: VDS(max) (V)
Dòng điện lớn nhất mà van chịu đƣợc: I D (A) Điện trở trong của van: R DS(on) ( )
Dải nhiệt độ hoạt động của van
Các thông số này rất quan trọng khi ta thiết kế mạch điều khiển van b Quá trình mở và khóa của MOSFET
Khi cấp vào cực G của MOSFET một điện áp thông qua mạch Driver thì quá trinh mở Mosfet đƣợc thể hiện trong đồ thị sau:
Hình 2.5: Quá trình mở của Mosfet
Quá trình mở của MOSFET
Trong giai đoạn đầu tiên, điện dung đầu vào của MOSFET được nạp từ điện áp 0V đến giá trị UTH Trong quá trình này, hầu hết dòng điện vào cực G được sử dụng để nạp cho tụ CGS, trong khi một lượng nhỏ nạp cho tụ CGD Quá trình này được gọi là quá trình mở trễ, vì dòng I D và điện áp trên cực D vẫn không đổi Khi cực G đạt đến điện áp giữ mẫu UTH, MOSFET đã sẵn sàng để dẫn dòng điện.
Trong giai đoạn thứ hai, điện áp cực G của MOSFET tăng từ UTH đến U Miller, tạo ra điểm làm việc tuyến tính, nơi dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp cực cổng G Dòng điện tiếp tục đi vào tụ điện C GS và CGD, làm tăng điện áp U GS Tại đầu ra của MOSFET, dòng điện trên cực máng cũng gia tăng trong khi điện áp D-S (U DS, OFF) giữ nguyên Khi toàn bộ dòng điện được chuyển vào MOSFET và diode khóa hoàn toàn, điện áp cực máng cần phải bằng điện áp đầu ra để ngăn chặn điện áp ngược qua lớp tiếp giáp pn.
Trong giai đoạn thứ ba, điện áp tại cực G được duy trì ở mức điện áp Miller (V GS, Miller) trong khi dòng điện chạy qua tải và các diode chỉnh lưu bị khóa Cực máng 1 nhận điện áp rơi, nhưng điện áp giữa D-S vẫn ổn định Dòng điện tại cực cổng, được cung cấp từ bộ điều khiển, làm lệch hướng xả của tụ C GD, tạo điều kiện cho việc thay đổi điện áp qua D-S Dòng điện tại cực máng của Mosfet được giữ không đổi nhờ vào giới hạn từ các mạch điện bên ngoài, cụ thể là nguồn dòng.
Giai đoạn thứ tư là quá trình tăng cường kênh dẫn điện cho MOSFET thông qua việc áp dụng điều khiển điện áp cao cho cực cổng Biên độ V GS được xác định bởi điện trở trong của thiết bị trong thời gian mở Trong giai đoạn này, V GS tăng từ giá trị Miller đến giá trị cuối cùng V DRV, nhờ vào sự nạp của tụ điện C GS và C GD Do đó, dòng điện trên cực cổng được chia thành hai thành phần.
Khi các tụ điện đang tiến hành nạp, dòng điện tại cực máng giữ nguyên không thay đổi, trong khi đó, nguồn áp trên D-S có sự giảm nhẹ do ảnh hưởng của điện trở trong của thiết bị.
Quá trình khóa của MOSFET
Hình 2.6: Quá trình khóa của MOSFET
Quá trình khóa đƣợc chia làm 4 giai đoạn:
Trong giai đoạn đầu tiên, quá trình xả điện tích trên tụ CGS.DS diễn ra từ giá trị ban đầu đến giá trị Miller Lúc này, điện áp trên cực D của MOSFET bắt đầu tăng dần, mặc dù mức tăng rất nhỏ, trong khi dòng điện trên cực D vẫn giữ nguyên.
Giai đoạn thứ hai: điện áp giữa hai cực D-S của Mosfet sẽ tăng từ giá trị UDS = ID.RDS(on) Tới giá trị cuối U DS(off)
Trong suốt giai đoạn này dòng điện trên cực D vẫn giữ không đổi Dòng điện của cực G hoàn toàn là dòng xả của tụ trên các cực của Mosfet
Trong giai đoạn thứ ba, điện áp tại cực G giảm từ giá trị Miller xuống giá trị giữ mẫu UTH Trong giai đoạn này, phần lớn dòng điện xả qua cực G chủ yếu là do phóng điện trên tụ CGS.
Giai đoạn này điện áp UGS và dòng điện ID đều giảm tuyến tính Trong khi đó điện áp U DS vẫn giữ nguyên giá trị U DS(OFF)
Giai đoạn thứ tư là quá trình phóng điện hoàn toàn của tụ điện trên các cực của Mosfet, trong đó điện áp UGS giảm xuống còn 0V Dòng điện trên cực sẽ được điều chỉnh tương ứng với sự thay đổi này.
D giảm về giá trị 0 và không đổi
Quá trình mở-khóa của Mosfet diễn ra qua bốn giai đoạn, chuyển đổi giữa trạng thái trở kháng cao và thấp Thời gian của các giai đoạn này phụ thuộc vào điện dung giữa các cực, điện áp ở cực điều khiển và dòng điện nạp xả của tụ điện trên cực G Hiểu rõ các thông số này là rất quan trọng để thiết kế mạch điều khiển Mosfet cho các ứng dụng có tần số đóng cắt lớn.
GiỚI THIỆU DIODE BÁN DẪN
2.6.1 Giới thiệu Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngƣợc lại Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N
Ngày nay hầu hết các điốt đƣợc làm từ silic, nhƣng các chất bán dẫn khác nhƣ selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng đƣợc sử dụng
Gồm 2 chất bán dẫn p,n nối với nhau, do có sự chênh lệch mật độ điện tử giữa hai lớp, khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dƣ thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)
Hình2.9: Điện áp tiếp xúc hình thành
Điện áp tiếp xúc (UTX) hình thành khi điện âm ở khối P và điện dương ở khối N, tạo ra một điện trường hướng từ khối N sang khối P Điện trường này cản trở sự chuyển động khuếch tán, dẫn đến việc quá trình khuếch tán dừng lại sau một thời gian, và điện áp tiếp xúc tồn tại Khi đó, tiếp xúc P-N đạt trạng thái cân bằng, với điện áp tiếp xúc khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn silicon (Si) và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn khác.
Hình 2.10: Điện áp ngoài ngƣợc chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện
Hai bên mặt tiếp giáp là nơi mà các điện tử và lỗ trống dễ dàng gặp nhau, dẫn đến quá trình tái hợp và hình thành các nguyên tử trung hòa Do đó, vùng biên giới này hiếm khi có các hạt dẫn điện tự do, được gọi là vùng nghèo Vùng nghèo này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài, điều này là cốt lõi trong hoạt động của điốt.
Khi áp dụng điện áp bên ngoài ngược chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của điện tử và lỗ trống diễn ra tự do, tạo ra vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Ngược lại, khi điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán bị hạn chế, làm cho vùng nghèo trở nên thiếu hạt dẫn điện tự do Do đó, điốt chỉ cho phép dòng điện đi qua khi điện áp được đặt theo một hướng nhất định.
Dựa vào ứng dụng của diode người ta chia thành các loại sau:
Diode tần số dòng là loại diode chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chỉnh lưu, với thông số điện áp khoảng 5kV và dòng điện tối đa lên đến 5kA Loại diode này nổi bật với khả năng chịu quá dòng và quá áp rất tốt, tuy nhiên, chúng có đặc tính phục hồi ngược lớn (Qrr và trr).
Fast recovery Diode: Loại này có thời gian phục hồi bé xấp xỉ 1us
Chúng có thể đạt công suất cao và thường dùng trong các ứng dụng như mạch DC-DC chỉnh lưu
Schottky rectifiers là loại diode chỉnh lưu nhanh nhất, với điện áp phân cực thuận chỉ 0,2V và không gặp hiện tượng phục hồi ngược Tuy nhiên, chúng chỉ chịu được điện áp lên đến hàng trăm Volt, nên thường được ứng dụng trong lĩnh vực đo lường.
2.6.3 Đặc tính Volt-Ampere Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:
Giai đoạn ứng với U AK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận
Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch
(U AK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác)
Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện, dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài nối tiếp với điốt Điện trở thuận của điốt rất nhỏ, nên ảnh hưởng đến dòng điện là không đáng kể so với điện trở của mạch điện.
Hình 2.11: Đặc tính thực tế của Diode
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI DC-DC
SƠ ĐỒ KHỐI BỘ BIẾN ĐỔI
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tăng áp.
LỰA CHỌN SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI
Ta đƣa thông số và yêu cầu bộ biến đổi cần thiết kế nhƣ sau:
Nguồn cấp là Acquy 12VDC/14Ah Điện áp vào lớn nhất : Vinmax,5V Điện áp vào nhỏ nhất : Vinmin,8V
Công suất đầu ra (P out ): 300W Điện áp đầu ra (V out ): 110VDC
Tần số đóng cắt của van là : 10kHz
Công suất đầu vào ( P in ) : 375W
Chu kỳ nhiệm vụ : DE%
Chu kỳ nhiệm vụ lớn nhất : Dmax%
3.2.1 Các bộ phận của bộ biến đổi
Với nguồn cấp từ acquy, việc lựa chọn mạch nghịch lưu độc lập là cần thiết Chúng ta có ba sự lựa chọn cho mạch nghịch lưu độc lập: nguồn áp, nguồn dòng và cộng hưởng.
Do ta sử dụng Acquy nên mạch nghịch lưu độc lập nguồn dòng là không phù hợp
Mạch nghịch lưu cộng hưởng không đáp ứng yêu cầu thiết kế, do đó, việc lựa chọn mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha là giải pháp phù hợp nhất cho dự án.
Bộ biến đổi DC-DC có 3 thành phần chính nhƣ sau :
Mạch điều khiển : có nhiệm vụ tạo xung vuông với tần số 60kHz và tạo lệch pha 120 độ để đóng mở cho mosfet
Bộ nghịch lưu : gồm 6 mosfet dùng để biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều
Máy biến áp động lực gồm ba biến áp xung nối -Y : có nhiệm vụ nâng điện áp lên cấp điện áp mong muốn
Bộ chỉnh lưu : gồm 6 diode có nhiệm vụ chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều( AC) ba pha sang điện áp một chiều(DC)
Nguyên lý mạch nâng điện áp từ Acquy có thể trình bày nhƣ sau :
Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch nâng điện áp
Sơ đồ sử dụng 6 MOSFET công suất để chuyển đổi điện áp một chiều thành xoay chiều, sau đó qua máy biến áp 3 pha để nâng điện áp lên mức mong muốn, và cuối cùng qua bộ chỉnh lưu để tạo ra điện áp một chiều theo yêu cầu.
TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC
3.3.1 Tính chọn van cho mạch nghịch lưu
Để đáp ứng yêu cầu công suất khoảng 300W, chúng ta có thể sử dụng MOSFET với cực cổng cách ly để băm xung Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp là U1 = 12V, trong khi điện áp pha thứ cấp của máy biến áp được tính bằng công thức U2p = Ud0 = Ud + 2.Ud + 2.(BA).
Trong đó : UD là độ sụt áp trên Diode
BA là độ sụt áp trên biến áp
Do ta sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nên :
Vậy giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA là:
Dòng điện dây (Id) là : Id = = = 2,8 A
Giá trị dòng điện chạy qua mỗi pha thứ cấp MBA là :
Dòng hiệu dụng sơ cấp trong mỗi pha MBA là :
Do ta chọn 6 con MOSFET có thông số giống hệt nhau nên ta chỉ cần tính 1 con MOSFET là đủ
- Thời gian mở của bóng bán dẫn:
- Dòng điện vào lớn nhất ở 12V là:
- Dòng điện hiệu dụng ở 12V là:
- Điện áp lớn nhất mà khóa bán dẫn phải chịu bằng :
Bởi vì điện áp vào lớn nhất là 24V, chọn MOSFET có điện áp định mức cao hơn 24V và dòng điện định mức cao hơn IAVEmax ở 12VDC
Do đó ta chọn MOSFET kênh N: IRFZ44N có thông số cơ bản sau:
Hình 3.3: Thông số, hình dáng và ký hiệu của IRFZ44N
3.3.2 Tính chọn diode cho mạch chỉnh lưu
Chọn diode có hệ số dự trữ điện áp là: kv=1,6
Chọn diode có hệ số dự trữ dòng điện là: ki=1,2
Vậy diode phải chịu đƣợc là:
Từ các thông số trên ta chọn diode 1N5408 có các thông số sau: Điện áp lớn nhất mà diode chịu đƣợc là : 800 V Điện áp hiệu dụng là : 500V
Dòng điện trung bình của diode là : 3 A
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế của 1N5408
3.3.3 Tính chọn máy biến áp động lực
Sử dụng ba máy biến áp một pha nối theo cấu trúc ∆-Y cho bộ biến đổi tăng áp ba pha trong thử nghiệm Sự khác biệt giữa hai cấu trúc máy biến áp ba pha được thể hiện rõ qua hình vẽ sau.
Hình 3.5: Cấu trúc mạch từ máy biến áp 3 pha a MBA 3 pha với mạch từ chung b MBA 3 pha với 3 mạch từ riêng biệt
Máy biến áp ba pha sử dụng ba lõi ferrite giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm độ sụt áp khi tải thay đổi Mỗi lõi ferrite có độ cảm ứng từ cực đại, ngăn chặn hiện tượng bão hòa Các yếu tố như vật liệu lõi, kích thước lõi, số vòng dây và tần số chuyển mạch được lựa chọn để đảm bảo MBA hoạt động trong khoảng tuyến tính, với đầu vào và đầu ra cân xứng ở mọi điều kiện Điện áp dây của cuộn sơ cấp máy biến áp được thể hiện rõ ràng.
Điện áp dây phía sơ cấp và diện tích gông từ đơn của máy biến áp ba pha, cùng với số vòng dây sơ cấp ở mỗi lõi, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của thiết bị này.
Công suất phân phối phụ thuộc vào diện tích gông từ và tần số chuyển mạch Để giữ gông từ trong khoảng tuyến tính và tránh bão hòa từ trường, cảm ứng từ cực đại (Bmax) cần được chọn hợp lý Giá trị cực đại của cảm ứng từ, ∆B+max, được sử dụng để tính số vòng dây cần thiết.
Giải phương trình tích phân ta được :
- Diện tích của mỗi lõi máy biến áp (cm 2 )
T s = ( f s – Là tần số đóng cắt của mosfet (Hz))
W1: số vòng dây sơ cấp của MBA (vòng)
Thay vào công thức (3) ta có số vòng dây sơ cấp ở mỗi lõi của máy biến áp là:
3b , Ae 3b là tổng diện tích lõi của MBA ba pha
Vậy số vòng dây sơ cấp của mỗi máy biến áp là 10 vòng
Chọn mật độ dòng điện J=5mA/mm 2
Tiết diện dây cuộn sơ cấp là : S1= = 2,08 mm 2
Số vòng dây thứ cấp của mỗi MBA là:
Vậy số vòng dây cuộn thứ cấp ở mỗi lõi máy biến áp là 45 vòng Tiết diện dây cuộn thứ cấp là : S2= = 0,46 mm 2
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU CẦU BA
3.4.1 Thiết kế mạch tạo xung
Sử dụng IC555 để tạo xung vuông với tần số 60kHz
Hình 3.6: Mạch tạo xung vuông bằng IC555
Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn một chiều từ 5V đến 12V, tương thích với mức logic thông thường và điện áp của bộ khuếch đại thuật toán Đầu dương của nguồn nuôi được kết nối vào chân 8 (+Vcc), trong khi cực âm nối vào chân số 1 (GND), tạo điểm chung để so sánh điện thế trong mạch Đầu ra tại chân 3 có thể đạt hai mức: mức cao khoảng 11,5V và mức thấp khoảng 0,1V.
Với cách mắc nhƣ vậy đầu ra chân 3 có dạng sóng chữ nhật nhƣ hình 3.7
Hình 3.7: Dạng xung của bộ tạo dao động
Tần số đầu ra của IC555 đƣợc tính bởi công thức: f = 3.4.2 Thiết kế bộ dịch pha số
3.4.2.1 Tổng quan về flip-flop
FF là loại mạch có khả năng thay đổi trạng thái ngõ ra dựa trên tác động của ngõ vào, điều này rất quan trọng cho việc lưu trữ và xuất dữ liệu khi cần thiết.
Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Các mạch FF thường được kí hiệu như sau:
Hình 3.8: Kí hiệu của flip-flop
Ngõ vào quyết định ngõ ra, trong khi ngõ đồng hồ CK chỉ ra thời điểm thay đổi Chân CK có thể tác động ở mức thấp hoặc cao tùy thuộc vào cấu trúc bên trong của từng IC FF Với một IC FF cố định như IC 74112, chỉ có một kiểu tác động, cụ thể là xung CK tác động theo cạnh xuống.
FF D chỉ có một ngõ vào, được gọi là ngõ vào dữ liệu (data) hoặc ngõ vào trì hoãn (delay) Hoạt động của FF D rất đơn giản: ngõ ra sẽ phản ánh ngõ vào mỗi khi có xung Ck tác động vào cạnh lên hoặc xuống.
Hình 3.9: Kí hiệu sơ đồ khối của FF-D
FF D là một phần quan trọng trong mạch điện tử, giúp chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q, phục vụ cho các mạch như mạch cộng, ghi và dịch Đặc biệt, ngõ vào D cần phải chờ một khoảng thời gian nhất định khi có xung kích trước khi dữ liệu được đưa ra ngõ ra Q.
D còn đƣợc xem nhƣ mạch trì hoãn, ngõ D còn gọi là delay
Hình 3.10: Kí hiệu và bảng trạng thái của flip-flop D
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha dùng flip-flop D
Hình 3.12: Bảng trạng thái và dạng điện áp ra của mạch dịch pha
Khối này có nhiệm vụ gửi xung từ IC555 tới các van động lực một cách tuần tự và có tính chu kỳ, sử dụng bộ dịch pha số với sơ đồ mạch như hình vẽ Mạch sử dụng IC 4013 và IC 4081, là các IC chuyên dụng để tạo ra các loại trễ khác nhau đối với tín hiệu IC 4013, thuộc họ CM05, nổi bật với công suất tiêu thụ thấp trong trạng thái tĩnh, tốc độ chuyển đổi cao, khả năng chống nhiễu tốt và khả năng mang tải lớn Nó bao gồm 2 flip-flop loại D và nguồn nuôi cho IC dao động từ +3V đến +15V, đảm bảo tương thích với mức logic thông thường và điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán.
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha số
Khi tín hiệu đầu vào là chuỗi xung với tần số 6f, đầu ra của hệ thống sẽ có tần số f Cụ thể, nếu chuỗi xung từ IC555 có tần số 60kHz, thì đầu ra sẽ là chuỗi xung với tần số 10kHz Các chuỗi xung này lệch pha nhau 120 độ điện và có chu kỳ nhiệm vụ là 50%.
Sử dụng IC 4013, chúng ta có thể tạo ra nguồn tín hiệu xoay chiều ba pha, điều này rất hữu ích cho việc điều khiển bộ nghịch lưu Hình ảnh minh họa cho dạng xung đầu ra đã được trình bày rõ ràng.
Hình 3.14: Dạng xung điện áp ra
3.4.3 Thiết kế mạch lái Mosfet
IC IR2101 là ic bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các mạch tổ hợp logic và trong các mạch nguồn yêu cầu có ổn định cao
Hình 3.15: Sơ đồ mạch lái MOSFET
- Sử dụng BOOSTRAP để kích tín hiệu điều khiển từ IC555 rồi phát xung tín hiệu vào cực G kích thông IRFZ44N
Các điện trở R1, R2, R3, R4, R5, R6 ảnh hưởng đến tổn hao công suất điều khiển Điện trở có giá trị nhỏ giúp giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển và tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển, nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với tụ ký sinh trong mosfet Nên chọn điện trở có giá trị từ 4,7 đến 10 ohm.
Sử dụng mạch kích như IR2101 mang lại lợi ích lớn vì chỉ cần một nguồn nuôi duy nhất cho toàn bộ mạch kích, giúp loại bỏ nhu cầu về nhiều biến áp nhỏ hoặc nhiều nguồn một chiều cách ly.
Do sự tương tác giữa các phần tử tụ và cảm trong mạch, xung đưa từ driver vào MOSFET thường gặp nhiễu và xung cao tần lớn Điều này dẫn đến điện áp ngược lớn khi van khóa, gây khó khăn trong việc đóng mở van Vì vậy, việc dập nhiễu xung và hỗ trợ mở van cho MOSFET là rất quan trọng trong thiết kế mạch Để giảm nhiễu, cần thêm mạch snubber song song với van bán dẫn nhằm hạ nhiễu xuống mức an toàn cho thiết bị.
Khi van mở tụ C7, phóng điện qua R12 và van, dòng điện đạt đỉnh lớn nhưng chỉ trong thời gian ngắn, giúp giảm khả năng phát nhiệt trên van và kéo dài thời gian mở của van.
Thiết kế này sử dụng mạch dao động RC
Giả sử thời gian đóng cắt lên tục là T = = 0.1 msec
Do đó RC cũng phải đáp ứng đƣợc thời gian liên tục này tức là RC 0.1 msec
Cho C = 0.01uF, sau đó R = 10ohm
Hình 3.16: Chân đơn của một bộ nghịch lưu sử dụng MOSFET
Với tần số đóng cắt của van fsw thì công suất trên tiêu tán trên điện trở là:
3.4.4.1 Sơ đồ chân của IR 2101
Hình 3.17: Sơ đồ chân của IR2101
3.4.4.2 Cấu trúc bên trong của IR2101
Hình 3.18: Cấu trúc bên trong của IR2101
3.4.4.3 Thông số kỹ thuật của IR2101
Bảng 3.1: Thông số của IR2101
3.4.5 Kết mô phỏng trên phần mềm Psim
Sử dụng phần mềm Psim mô phỏng bộ biến đổi tăng áp ba pha DC-DC Kết quả mô phỏng đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Hình 3.19: Sơ đồ mô phỏng bộ nâng áp
Hình 3.20: Dạng xung đƣa vào cực G của MOSFET
Hình 3.21: Dạng sóng điện áp pha phía thứ cấp MBA
Hình 3.22: Dạng sóng điện áp dây phía thứ cấp MBA
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CẦU BA
3.5.1 Xây dựng mạch điện bằng Orcad 9.0
Sử dụng phần mềm chuyên dụng Orcad 9.0 để vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch nâng áp một chiều sử dụng trong ô tô
Sơ đồ mạch tạo xung và mạch kích MOSFET
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung và mạch kích MOSFET
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode:
Hình 3.24: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu
3.5.2 Mô hình vật lý bộ biến đổi
Hình 3.25: Mô hình bộ biến đổi DC-DC
Hình 3.26: Điện áp đầu vào bộ biến đổi
Hình 3.27: Điện áp đầu ra của bộ tăng áp
Điện áp đầu vào từ ắc quy là 11VDC, được nâng lên 103VDC thông qua bộ tăng áp cầu 3 pha Để bảo vệ các van bán dẫn khỏi quá nhiệt, chúng tôi sử dụng cánh tản nhiệt bằng nhôm.