Đang tải... (xem toàn văn)
Luận văn gồm 3 chương, đề cập những vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện Peltier. Với mục tiêu: Tìm hiểu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thiết bị điện tử. Các phương pháp ổn định nhiệt độ sử dụng môi chất lạnh, hiệu ứng điện nhiệt Peltier và ứng dụng Peltier làm mát thiết bị điện tử. Chương 2: Thiết kế sơ đồ chức năng thiết bị ổn định nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện Peltier. Với mục tiêu: Xây dựng sơ đồ khối hệ thống ổn định nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện Peltier. Tính toán lựa chọn các khối và đi vào thiết kế mạch điều khiển, xây dựng mô hình hệ thống. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển ổn định nhiệt độ. Với mục tiêu: Đưa ra các phương pháp điều khiển thông dụng hiện nay, lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống và xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ trên cơ sở hiệu ứng nhiệt Peltier.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN NĂNG HUẤN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN NĂNG HUẤN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ CHO THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ HIỆU ỨNG NHIỆT PELTIER Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán hướng dẫn chính: Nguyễn Thanh Tiên Cấp bậc : Thượng tá Học hàm học vị : Tiến sĩ Cán chấm phản biện 1: Nguyễn Ngọc Hòa Cấp bậc : Đại tá Học hàm học vị : GVC, Tiến sĩ Cán chấm phản biện 2: Trần Ngọc Qúy Cấp bậc : Trung tá Học hàm học vị : Tiến sĩ Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày tháng 10 năm 2015 Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Năng Huấn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Bản cam đoan Mục lục Tóm tắt luận văn Danh mục ký hiệu, viết tắt, bảng, hình vẽ……… TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC Tóm tắt luận văn: Họ tên học viên: Nguyễn Năng Huấn Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Lớp: CHTĐH 25B13 Khoá: 25B Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tiên Tên đề tài: Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử sở cơng nghệ hiệu ứng nhiệt Peltier Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu vấn đề sau: - Tìm hiểu hệ thống ổn định nhiệt độ, hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt độ sử dụng môi chất làm lạnh - Tìm hiểu hiệu ứng điện nhiệt Peltier, loại Peltier phổ biến thị trường - Làm rõ tính ưu việt hệ thống làm mát thiết bị điện tử sử dụng Peltier so với làm mát tự nhiên, làm mát quạt gió hay sử dụng mơi chất lạnh (điều hịa nhiệt độ) - Xây dựng mơ hình hệ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử hoạt động trời sử dụng Peltier - Thiết kế phần cứng thiết bị làm mát sử dụng Peltier - Xây dựng chương trình thực luật điều chỉnh nhiệt độ phương pháp điều khiển PID - Hồn thiện mơ hình tủ chứa thiết bị điện tử cần ổn định nhiệt độ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU D: Derivative – Vi phân I: Integral – Tích phân NTC: Negative Temperature Coefficient – Nhiệt điện trở nghịch PID: Proportional Integral Derivative – Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ P: Proportional – Tỉ lệ PCB: Printed Circuit Board – Bảng mạch in PV: Process Variable PWM: Pulse Width Modulation – Module điều khiển độ rộng xung TE: ThermoElectric SP: Set Point DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.2 Một số loại Peltier nhiệt độ cao .13 Bảng 1.3 Một số loại Peltier có kích thước nhỏ .14 Bảng 1.4 Một số loại Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn 15 Bảng 1.5 Một số loại Peltier có tâm lỗ tròn 15 Bảng 1.6 Một số loại Peltier hình chữ nhật có tâm lỗ tròn 16 Bảng 1.7 Một số loại Peltier ghép song song 16 Bảng 1.8 Một số loại Peltier dạng chuẩn 17 Bảng 2.1: hệ số chọn quạt: .51 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật Sensor nhiệt - PT100 56 Bảng 2.3 Bảng thật TLP 250 .59 Bảng 3.1 Tính tốn thơng số cho điều khiển PID .74 Bảng 3.2 Xác định thông số điều khiển PID dựa vào thực nghiệm 75 Bảng 3.3 Bảng chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd .86 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Máy lạnh nén .7 Hình 1.4 Máy lạnh ejectơ 10 Hình 1.7 Petier cho nhiệt độ cao .13 Hình 1.8 Peltier có kích thước nhỏ 14 Hình 1.9 Peltier nhiều giai đoạn .15 Hình 1.10 Peltier có tâm lỗ trịn 15 Hình 1.11 Peltier chữ nhật tâm lỗ tròn 16 Hình 1.12 Peltier ghép song song 16 Hình 1.13 Peltier loại chuẩn 17 Hình 1.14 Một số cấu làm mát sử dụng Peltier 18 Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển .22 Hình 2.4 Sơ đồ chân vi điều khiển 25 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý biến đổi BUCK 27 Hình 2.6 Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng 27 Hình 2.7 Sơ đồ tương đương với phần tử chuyển mạch lý tưởng u = 27 Hình 2.9 Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn .30 Hình 2.10 Phần tử lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp .30 Hình 2.11 Đặc tuyến hàm truyền biến đổi tăng áp 33 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý biến đổi buck-boost 34 Hình 2.13 Bộ biến đổi buck-boost với khóa chuyển mạch lý tưởng 34 Hình 2.14 Bộ biến đổi buck-boost với khóa chuyển mạch lý tưởng u = 34 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý biến đổi CÚK 36 Hình 2.17 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng 36 Hình 2.18 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng u = 36 Hình 2.19 Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng u = 36 Hình 2.20 Mơ biến đổi giảm áp 40 Hình 2.21 Cấu tạo hệ Calcul-Power 40 Hình 2.22 Cửa sổ thông số: a - khối Pulse Generator; 42 b - khối Generator, c- Nagryzka 42 Hình 2.23 Dạng điện áp tín hiệu điều khiển IGBT 43 Hình 2.24 Điện áp biến đổi buck đồ dài xung tương đối 40 (%) 43 Độ dài xung tương đối 30 (%) 43 Hình 2.25 Điện áp biến đổi buck đồ dài xung tương đối 30 (%) 43 Hình 2.26 Điện áp biến đổi buck đồ dài xung tương đối 20 (%) 44 Hình 2.27 Cấu tạo Peltier 45 Hình 2.28 Sự truyền tải nhiệt 46 Hình 2.29 Thơng số Peltier .46 Hình 2.30 Đặc tuyến Peltier TEC1-12706 .46 Hình 2.31 Tản nhiệt cho Peltier .47 Hình 2.32 Tủ chứa thiết bị phát nhiệt .48 Hình 2.33 Quạt lưu chuyển khí lạnh hộp .51 Hình 2.34 Cặp nhiệt điện 53 Hình 2.35 Cảm biến đo nhiệt độ loại PT100 55 Hình 2.36 Mạch nguyên lý khối nguồn cho vi điều khiển .57 Hình 2.37 Mạch nguyên lý khối nguồn cho TLP 250 57 Hình 2.38 Mạch nguyên lý khối vi điều khiển 58 Hình 2.39 Sơ đồ chân TLP 250 59 Hình 2.40 Thay đổi độ rộng xung TLP 250 60 Hình 2.41 Bộ giảm áp cho peltier 60 Hình 2.42 Mạch điều khiển quạt khuếch tán nhiệt lạnh tủ điện 61 Hình 2.43 Mạch giao tiếp với máy tính qua cổm com 61 Hình 2.44 Mạch cấp nguồn dòng cho cảm biến PT100 62 Hình 2.45 PCB mạch điều khiển .62 Hình 2.46 Mạch điều khiển sau gắn linh kiện 63 Hình 2.47 Tủ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử 63 Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn phương thức điều khiển on/off 64 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 65 Hình 3.3 Sơ đồ khối khâu P 66 Hình 3.4 Đáp ứng khâu P .67 Hình 3.5 Sơ đồ khối khâu I .67 Hình 3.6 Đáp ứng khâu I P 68 Hình 3.7 Sơ đồ khối khâu D 69 Hình 3.8 Đáp ứng khâu D PD 69 Hình 3.9 Sơ đồ khối điều khiển PID 70 Hình 3.10 Đáp ứng PID 70 Hình 3.11 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ a 73 Hình 3.12 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ b 73 Hình 3.13 Mơ hình điều khiển với Kgh 75 Hình 3.14 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 75 92 3.3 Kết luận chương Lựa chọn phương pháp điều khiển vấn đề quan trọng toán điều khiển nhiệt độ Với hệ thống có u cầu khơng cao sử dụng phương pháp điều khiển On/Off, với hệ thống có u cầu cao điều khiển lị nung, điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ thích hợp Đối với tốn thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử Peltier phương pháp điều khiển PID có nhiều ưu điểm Phương pháp ứng dụng hầu hết điều khiển nên nói làm việc tin cậy Từ kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ bên tủ chứa thiết bị trì ổn định mức 23 ( oC) Với giá trị nhiệt độ lý tưởng thiết bị điện tử lắp đặt tủ làm việc trạng thái tốt nhất… Mơ hình hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử sở công nghệ hiệu ứng nhiệt Peltier sau hoàn thiện tiến hành chạy thử cho kết làm việc ổn định đáng tin cậy Hình 3.37 Mơ hình hệ thống ổn định nhiệt độ vận hành 93 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử sở công nghệ hiệu ứng nhiệt Peltier có tính ưu việt cao so với làm mát tự nhiên, làm mát quạt gió hay sử điều hịa nhiệt độ Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp tác giả giải vấn đề sau: - Tìm hiểu hiệu ứng điện nhiệt Peltier, loại Peltier phổ biến thị trường - Làm rõ tính ưu việt hệ thống làm mát thiết bị điện tử sử dụng Peltier so với làm mát tự nhiên, làm mát quạt gió hay sử dụng mơi chất lạnh (điều hịa nhiệt độ) - Xây dựng mơ hình hệ ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử hoạt động trời sử dụng Peltier - Thiết kế phần cứng thiết bị làm mát sử dụng Peltier - Xây dựng chương trình thực luật điều chỉnh nhiệt độ phương pháp điều khiển PID - Hồn thiện mơ hình tủ chứa thiết bị điện tử cần ổn định nhiệt độ Qua luận văn tác giả hiểu cách có hệ thống ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử, học hỏi nhiều kinh nghiệm để phục vụ cho công việc thân phương pháp trình bày cơng trình khoa học Đạt kết nghiên cứu trình bày luận văn, tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn Thượng tá, TS Nguyễn Thanh Tiên, thầy cô khoa Kỹ thuật điều khiển, thầy chấm phản biện, hội đồng chấm luận văn đóng góp ý kiến quý báu trình thực luận văn Trong thời gian ngắn, điều kiện nghiên cứu kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi hạn chế Tác giả mong nhận 94 góp ý, bảo thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn chỉnh Khuyến nghị Đề tài cho thấy ta phát triển hiệu ứng điện-nhiệt Peltier nhiều ứng dụng thực tiễn chế tạo tủ lạnh bảo quản vaccin, tủ lạnh bảo quản hoa loại nhỏ, tủ làm mát nước uống, máy sưởi ấm dịch truyền y tế, hệ thống làm mát cho thiết bị điện tử cầm tay (máy tính, smatphone)… Đề tài mở hướng quan trọng cho ứng dụng thiết bị bay, thiết bị thám hiểm vũ trụ thiết bị có mật độ tích cao việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt peltier để ổn định nhiệt độ cho mạch điều khiển thiết bị có ý nghĩa lớn nhờ kết cấu nhỏ gọn, dễ điều khiển đáp ứng hệ thống nhanh 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lê Văn Doanh, Trần Văn Thịnh (2005), Điện tử công suất – Lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Nguyễn Thị Phương Hà (2002), Điều khiển tự động, NXB KHKT Nguyễn Đức Lợi (2008), Giáo trình kỹ thuật lạnh, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội PGS.TS Phạm Tuấn Thành (2011), Mô hệ điện cơ, Nhà xuất Học viện kỹ thuật quân Tiếng Anh Nonlinear and nonsmooth dynamics in a DC-DC Buck converter Two experimental set-ups Fuzzy bilinear state feedback control design based on TS fuzzy bilinear model for DC–DC converters Development of an electric motor-driven pump unit for electro-hydraulic power steering with 42V power-Net Control Design Techniques in Power Electronics Devices (H Sira Ramirez & R Silva Ortigoza) 10 Cascade controller with sliding-mode-voltage and current-mode for monolithic high frequency DC–DC converters PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình điều khiển: #include #include #include #include //#include char str[]; char buffer[]; char buffer1[]; unsigned int temp,temper; unsigned int temp1; unsigned char time; char i; bit read_adc_enable = 0; unsigned long adc_data_tem[2],adc_data_temper[1]; unsigned int temperature ; unsigned long index_temperature = 0; unsigned char t, PID_Value; float e1,e2,e_sum,e_del; float KP, KI, KD,n; #define pwm OCR1A #define RXB8 #define TXB8 #define UPE #define OVR #define FE #define UDRE #define RXC #define FRAMING_ERROR (1