Žilinská univerzita v Žiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra mechatroniky a elektroniky
INTELIGENTNÝ ZDROJ PRE NÚDZOVÉ
ŠTARTOVANIE AUTOMOBILOV
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112019
2010
Bc. Martin Solčany
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
INTELIGENTNÝ ZDROJ PRE NÚDZOVÉ
ŠTARTOVANIE AUTOMOBILOV
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112019
Študijný odbor: Výkonové elektronické systémy
Študijný program: Výkonové elektronické systémy
Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Sedlák
Konzultant: Ing. Jozef Sedlák
Pracovisko konzultanta: AB115
Žilina 2011
Bc. Martin Solčany
Namiesto tejto strany vložiť zadanie záverečnej
práce!
Abstrakt
Diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou inteligentného štartovacieho
zdroja pre osobné automobily. V úvodných kapitolách je rozobraná problematika
pomocných štartov, autobatérií a štartérov, ďalej návrh a realizácia spomínaného
zdroja.
I
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Martin Solčany
Akademický rok: 2010/2011
Názov práce: Inteligentný zdroj pre núdzové štartovanie automobilov
Počet strán: 55
Počet grafov:2
Počet obrázkov: 38 Počet tabuliek: 3
Počet príloh: 1
Počet použ. lit.: 15
Anotácia v slovenskom jazyku:
Práca rozoberá problematiku akumulátorov, ich históriu, ďalej problematiku
pomocných štartov, ako sa vykonávajú, kedy a čo sa pri nich deje. Analyzuje štartér
ako hlavný a najväčší spotrebič pripojený na autobatériu. Ďalej rozoberá možnosť
realizácie štartovacieho zdroja a výber vhodnej topológie. Tou sa stala topológia
priepustného dvoj tranzistorového meniča. Je tu rozobraný podrobný návrh meniča,
jeho jednotlivých prvkov, realizácia riadenia dvoma spôsobmi a to analógovým
(SG3525) aj digitálnym (ATmega16).
Anotácia v anglickom (nemeckom) jazyku:
The work deals with issues of batteries, their history, the issue of further assistance
starts, as it is performed, when and what is happening in them. Analyzes the starter as
the main and largest appliance connected to the car battery. It analyzes the feasibility
of starting source and select an appropriate topology. Tou became permeable topology
of two-switch forward converter. There dismantled the detailed design of the
converter, its various components, implementation and management are two ways to
analog (SG3525) and digital (ATmega16)
Kľúčové slová:
Akumulátor; štartér; forward menič; impulzný transformátor; Atmel; SG3525
Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Sedlák
Konzultant: Ing. Jozef Sedlák
Recenzent: __________________________
Dátum odovzdania práce: 2. mája 2011
II
1
Úvod .............................................................................................................. 7
2
Autobatéria ................................................................................................... 8
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4
4.1
4.1.1
4.2
4.3
5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
6
6.1
6.2
6.2.1
6.2.2
6.3
História autobatérii ......................................................................................... 8
Údržba a dobíjanie akumulátorov ................................................................ 10
Nabíjacia charakteristika W ......................................................................... 12
Nabíjacia charakteristika I ........................................................................... 13
Nabíjacia charakteristika U .......................................................................... 13
Analýza vlastností spúšťača ako jednosmerného motora ...................... 13
Jednosmerný motor s cudzím budením........................................................ 14
Jednosmerný motor s permanentnými magnetmi ........................................ 15
Sériový jednosmerný motor ......................................................................... 16
Derivačný jednosmerný motor ..................................................................... 16
Matlab modelovanie a simulácia štartéra ..................................................... 17
Meranie štartovacích prúdov a napätí paralelnou diagnostikou .................. 19
Podpora štartu ............................................................................................ 22
Spínané napájacie zdroje.............................................................................. 23
Požiadavky na zdroj ..................................................................................... 24
Jedno spínačový priepustný menič .............................................................. 25
Dvoj spínačový priepustný menič ................................................................ 27
Návrh Zdroja .............................................................................................. 29
Simulácia 2-switch forward ......................................................................... 29
Návrh jednotlivých obvodov........................................................................ 30
Strana napájania, usmerňovač, jednosmerný napäťový medzi obvod ......... 31
Návrh transformátora ................................................................................... 34
Návrh výstupnej indukčnosti ....................................................................... 41
Riadenie ...................................................................................................... 44
AT mega16 ................................................................................................... 44
SG3525 ........................................................................................................ 48
Nastavenie frekvencie oscilátora ................................................................. 49
Spätná väzba obvodu ................................................................................... 51
Napájacie a ochranné obvody ...................................................................... 51
7
Celková schéma zapojenia, DPS a meranie na vzorke ........................... 52
8
Záver ........................................................................................................... 55
III
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
SMD
Surface mounted device
súčiastky
určené
povrchovú montáž
DC
Dirrect current
jednosmerný prúd
PWM
Pulse width modulation
pulzne šírková modulácia
GND
Ground
Zem
pre
MOSFET
Poľom riadený tranzistor
PNP
Bipolárny tranzistor, typ
PNP
SS
Soft start
Jemný štart
Integrovaný obvod
IO
LCD
Liquid crystal display
Display tekutých kryštálov
ADC
Analog digital converter
Analógovo
prevodník
digitálny
Doska plošných spojov
DPS
TQFP
Thin Quad Flat Pack
Tenké SMD puzdro
H2SO4
Sulfuric acid
Kyselina sírová
Pb
Plumbum
Olovo
PbO2
Oxid olovičitý
PbSO4
Síran olovnatý
LSB
Least significant bit
Doska plošných spojov
DPS
Zoznam symbolov
Symbol
Ri
Jednotka
[Ω]
Význam symbolu
Vnútorný odpor akumulátora
Inab
[A]
Nabíjací prúd
C
[Ah]
Kapacita akumulátora
IV
ui
[V]
Indukované napätie
L
[H]
Indukčnosť motora
Cu
[Vs]
3
Konštanta motora
J
[Ws ]
Moment zotrvačnosti
B
[Ws3]
Viskózna zložka záťaže
P
[W]
Výkon meniča
Urms
[V]
Efektívna hodnota napätia
Irms
[A]
Efektívna hodnota prúdu
S
[%]
Strieda
B
[T]
Sýtenie jadra (magnetická vodivosť)
N
[závitov]
Počet závitov
T
[s]
Perióda
fs
[Hz]
Spínacia frekvencia
η
[%]
Cieľová efektivita
J
[A/cm2]
Prúdová hustota
V
Poďakovanie
Ďakujem vedúcemu diplomovej práce Ing. Jozefovi Sedlákovi, za účinnú metodickú,
pedagogickú a odbornú pomoc a za cenné rady pri spracovaní práce.
VI
1 ÚVOD
Súčasný trend vývoja automobilov stále viac smeruje k čistejším a úspornejším
dopravným prostriedkom. Rôzne hybridné automobily, elektromobily a vozidlá na
vodík, či iné alternatívne palivá sa neustále zdokonaľujú, viac a viac je ich možné
stretnúť na cestách, avšak najpočetnejším a stále najpredávanejším zostávajú autá
s klasickým spaľovacím motorom alebo vznetovým motorom, ktorý ako sekundárny
zdroj energie využívajú olovený akumulátor. Jeho hlavnou úlohou je spoľahlivo
naštartovať motor. Avšak, akumulátor má svoju životnosť a často býva vybitý, či inak
poškodený. V nevyhnutnom prípade je možné automobil naštartovať za pomoci
káblov a druhej batérie z iného automobilu, auto roztlačiť, alebo naštartovať pomocou
štartovacieho zdroja, ktorý pomôže tam, kde je nemožné využiť iný spôsob, napríklad
v garážach, kde káble z iného auta nemusia dočiahnuť a roztlačenie u niektorých
vozidiel môže byť náročné a vyžaduje prítomnosť minimálne dvoch osôb. Štartovacie
zdroje sú v obchodoch bežne dostupné a je možné ich kúpiť v rôznych vyhotoveniach
a ich použitie môže byť viac účelové. Sú tu napríklad zdroje ktorých primárnou
funkciou je nabíjanie akumulátora, avšak prepnutím do štartovacieho režimu sú
schopné krátkodobo dodať maximálny možný prúd na ktorý boli zhotovené, tieto
zdroje dokážu naštartovať iba automobil s nie veľmi vybitou batériou. Ďalšími sú
zdroje s integrovanou batériou, ktoré síce dokážu bez problémov spustiť akýkoľvek
motor, avšak je nutnosť dobíjania batérií v zariadení, kde je z logického hľadiska
rozumnejšie mať dve rovnaké batérie a tie si meniť podľa toho v akej kondícii sú.
Poslednou možnosťou je spínaný zdroj, menič s impulzným transformátorom, ktorého
výhodou je vysoký výkon, pri relatívne malých rozmeroch a hmotností. U tohto typu
je výhoda v regulácií výstupného napätia a prúdu, avšak čím zložitejšia tým sú
drahšie, a pritom sú už aj tak dosť drahé. Ich výhoda je použitie na nabíjanie batérií
rôznych napätí a kapacít.
Úlohou diplomovej práce je vytvoriť zdroj, ktorý bude napájaný zo sieťového
napätia 230V alebo 380V, avšak bude mať v sebe elektroniku, ktorá na rozdiel od
zariadení bežne dostupných na trhu bude schopná riadiť zdroj tak, že ho bude možné
pripojiť k autobatérií bez ohľadu na to či auto štartuje alebo nie, čiže bude schopné
7
rozpoznať kedy štartér odoberá prúd z batérie a podporiť štart prúdom ktorý, udrží
spúšťač v pohybe, ale zároveň bude strážiť výstup zdroja, aby sa neohrozila citlivá
elektronika automobilu príliš vysokým prúdom, či hlavne zvýšeným napätím.
Topológiu zapojenia zdroja sme zvolili dvoj spínačový priepustný menič s Nkanálovými MOSFET tranzistormi STP10NK60Z. Na riadenie sme použili 8-bitový
mikrokontrolér ATmega16 a tiež analógový PWM modulátor SG3525. V závere sme
obe možnosti regulácie zhodnotili.
2 AUTOBATÉRIA
Akumulátorová batéria je motorového vozidla, kde plní funkciu zdroja elektrickej
energie pri štartovaní vozidla, pri napájaní spotrebičov, keď je motor v kľude, alebo
jeho otáčky nie sú dostatočne vysoké na krytie požadovanej spotreby. Prvoradým
účelom akumulátora však zostáva dodať elektrický prúd spúšťaču na spoľahlivé
spustenie motora. Túto úlohu musí akumulátor splniť i pri sťažených podmienkach,
t.j. pri vonkajšej teplote hlboko pod bodom mrazu ako menšou hodnotou nabitia.
Akumulátor má pomerne krátku životnosť. Medzi najčastejšie a najbanálnejšie
príčiny nespustenia motora automobilov býva zlý alebo vybitý akumulátor. Existuje
mnoho
vplyvov,
ktoré
akumulátor
poškodzujú
alebo
úplne
znehodnocujú.
Predovšetkým je to nesprávna koncentrácia elektrolytu, poškodenie dosiek, skraty
v článkoch, sulfatácia dosiek, samovoľné vybíjanie, nedostatočné či nadmerné
dobíjanie, nedostatok elektrolytu, upchaté vetracie otvor, nepriaznivé teplotné vplyv,
nadmerné a časté zaťažovanie prúdy, atď.
Základné zameranie práce sa bude týkať hlavne problematiky podpory štartu
a studeného štartu s vybitým, poškodeným akumulátorom alebo s akumulátorom so
zníženou kapacitou.
2.1 HISTÓRIA AUTOBATÉRII
Taliansky prírodovedec a lekár Luigi Glavani(1737-1798) pri pitvaní žiab
položených na plechu pri dotyku operačného noža spozoroval ľahké šklbanie mŕtvej
8
žaby. Mylne sa však domnieval, že šklbanie žabích stehienok spôsobuje „živočíšna“
elektrina. Na jeho mnohé pokusy naviazal ďalší talian Alessandro Volta(1745-1827).
Ten zdôvodnil Galvaniho pozorovanie ako dotyk dvoch rôznych kovov oddelených
vlhkou látkou. Svoj objav zverejnil v roku 1800 v centre pôsobenia vtedajších
vedátorov v Londýne. Neskôr zostrojil elektrický článok a na počesť svojho
predchodcu nazval vyrábaný prúd prúdom galvanickým.
Dnes najčastejšie používanými akumulátormi je akumulátor olovený. Ten bol
vynájdený v roku 1859 francúzskym fyzikom Gastonom Raimondom Louisom
Plantém (1834-1889). Jeho princíp je založený na premene elektrickej energie na
energiu chemickú. Tento zdroj energie je zložený z páru olovených dosiek,
ponorených do nádoby s elektrolytom. Ako elektrolyt je osvedčená kyselina sírová
H2SO4, ktorá sa riedi v príslušnom pomere s destilovanou vodou. Najčastejšie sa
používa 38-41% roztok. Na doskách nenabitého akumulátoru usadí účinkom kyseliny
síran olovnatý PbSO4. Pripojením jednosmerného napätia sa na kladnej elektróde
vytvára červenohnedý oxid olovičitý PbO2, záporná elektróda sa pokryje šedým
olovom. A takto prebieha v autobatérii obojsmerný chemický proces vyjadrený
vzorcom:
PbSO4 + H2O + PbSO4
Pb + 2H2SO4 + PbO2
Obr. 2.1: Vnútro oloveného akumulátoru.
Kde smer šípky vľavo predstavuje vybíjanie a smer šípky vpravo predstavuje
nabíjanie. Pri nabíjaní kyselina naberá na koncentrácii, elektrolyt hustne. Pri vybíjaní
naopak, toto sú veľmi dobre identifikovateľné znaky stavu nabitia. Na začiatku
9
procesu nabíjania alebo pri vybitej autobatérii je hustota elektrolytu 1.15 g/cm3 pri
nabitom akumulátore je táto hodnota 1.25 g/cm3. Ďalším je jeho napätie. Na svorkách
jedného páru elektród nameriame 1.75 až 2.45V. Ak klesne napätie pod dolnú
uvedenú hodnou, začne nevratný chemický dej, kedy sa vytvára nerozpustný síran
olovnatý, ktorý akumulátor ničí. Tento stav sa označuje ako sulfatácia akumulátora.
Sulfatácia sa prejaví pri nabíjaní, prudkým zvýšením napätia, čo moderné nabíjačky
s mikroprocesorovým riadením vyhodnotia ako nabitie akumulátoru. Pre to bývajú
často neopodstatnene reklamované nabíjačky. Od stavu nabitia tiež závisí hodnota
vnútorného odporu batérie. Pri plnom nabití je táto hodnota veľmi nízka asi okolo
0.01Ω. A to je veľmi dôležité pre štart, pretože s poklesom stavu nabitia a tiež
zníženou teplotou tento odpor rýchlo stúpa a to má za následok zmenšenie
štartovacieho prúdu. Bežné štartovacie prúdy benzínových motorov sa pohybujú
v rozmedzí 70 – 130 A, preto je pre štart dôležité aby bola hodnota vnútorného odporu
batérie čo najnižšia.
2.2 ÚDRŽBA A DOBÍJANIE AKUMULÁTOROV
Pre dosiahnutie čo najväčšej životnosti a spoľahlivosti akumulátora je potrebná
jeho preventívna údržba, na základe dôležitých meraní a kontroly stavu:
-
Meranie vnútorného odporu a kapacity,
-
Meranie napätia článkov v stave naprázdno a pri zaťažení,
-
Meranie nabíjacej a vybájacej charakteristiky, atď.
Vnútorný odpor stanovíme zo vzťahu:
=
[Ω]
Obr. 2.2: Realizácia merania odporu akumulátora.
10
350
300
Odpor[%]
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
Stav nabitia[%]
Obr. 2.3: Graf závislosti hodnoty vnútorného odporu od kapacity
autobatérie.
Vnútorný odpor je ako podobne ako je vidno na grafe hore závislí aj od teploty
elektrolytu, kde sa znižujúcou teplotou zvyšuje vnútorný odpor a tiež od hustoty
elektrolytu.
Nové akumulátory sa dodávajú v nabitom stave. Olovené batérie sú vystavené
procesu tzv. samo vybíjaniu. A preto je dôležité pokiaľ nie je akumulátor nabíjaný za
jazdy, občas ho dobiť nabíjačkou. I nový nabitý akumulátor sa po dobu cca 3 mesiace
sám vybije.
Štandardne sa doporučuje nabíjať batériu prúdom Inab[A] = 0.1xC[Ah], kde C je
kapacita akumulátoru. Olovený akumulátor je však možné dobíjať aj väčším prúdom.
V prípade sulfatácie je niekedy možné autobatériu „oživiť“ veľmi malým prúdom:
Inab [A]=0,05-0,025 x C [Ah]
kapacitu akumulátora je možné určiť z vybíjacej charakteristiky na základe
vzťahu:
C = Ivyb*tvyb [Ah]
11
Tento vzťah platí iba vtedy, ak meranie prebehlo pri teplote 25 °C. ak meranie
vybíjacej charakteristiky prebehlo pri inej teplote (max. však v rozmedzí 18 až 27°C),
prepočíta sa hodnota kapacity nasledovne:
C25=
.∗()
120
Stav nabitia C[%Cn]
100
80
60
40
20
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
T[°C]
Obr. 2.4: Kapacita batérie v závislosti od teploty.
Okrem sulfatácie sa u batérii často vyskytuje tzv. skratovanie článkov. To je
spôsobené usadením vodivého kalu rozpadnutej olovenej dosky, ktorý skratuje články
opačnej polarity. Batéria má potom veľký vnútorný odpor, znížené celkové napätie
o N x 2V, kde N je počet nefunkčných článkov článkov. Pripojenie takejto batérie
k nabíjačke ,spôsobí neúmerne veľký odber, poprípade odpojenie nabíjačky
nadprúdovou ochranou.
2.3 NABÍJACIA CHARAKTERISTIKA W
Nabíjací prúd dodávaný zariadením, klesá podľa nabíjacej charakteristiky W.
Nabíjacia charakteristika W znamená nabíjanie akumulátorov s voľným elektrolytom,
prúdom klesajúcim v závislosti na stúpaní napätia nabíjaného akumulátora. Nabíjačky
s nabíjacou charakteristikou W sa používajú pre ich jednoduchú konštrukciu a nižšiu
cenu na nabíjanie štartovacích a trakčných akumulátorov.
12
2.4 NABÍJACIA CHARAKTERISTIKA I
Nabíjacia charakteristika I sa používa menej často, ale pre informáciu
napíšeme, že sa jedná o nabíjanie konštantným prúdom. Stúpanie napätia nabíjaného
akumulátora závisí na type akumulátora, kapacite, teplote prostredia a intenzity
nabíjacieho prúdu.
2.5 NABÍJACIA CHARAKTERISTIKA U
Táto charakteristika U predstavuje nabíjanie akumulátorov na konštantné napätie,
ktoré sa udržuje s presnosťou jedného percenta. Počiatočný vysoký nabíjací prúd s
priebehom nabíjania najprv rýchlejšie potom pomalšie klesá. Výhodou je rýchla
obnova elektrického náboja na začiatku nabíjania akumulátora bez toho, aby vysoký
nabíjací prúd poškodzoval elektródy v akumulátore. V priebehu nabíjania, nabíjací
prúd klesá a na konci nabíjania je prúd taký malý, že nemôže poškodzovať kladné
elektródy. Preto pri konštantnom napätí 14,7 V sa dá nabitý akumulátor ďalej nabíjať
aj ďalších 24 hodín, pretože nabíjací prúd nepresahuje 0,01 % kapacity. Pri
konštantnom napätí 14,0 V sa môže nabitý akumulátor trvalo nabíjať po celú dobu
životnosti.
[1] [4]
3 ANALÝZA VLASTNOSTÍ SPÚŠŤAČA AKO
JEDNOSMERNÉHO MOTORA
Jednosmerný motor je zariadenie, ktoré využíva zmenu elektrického napätia na
rotačnú energiu. Jednosmerný motor- štartér sa dá opísať vzorcami:
Indukované napätie vzniká zmenou magnetického toku, prechádzajúceho
s cievkou s N závitmi.
13
= ,
[V]
Indukované napätie závisí aj od uhlu natočenia cievky voči magnetickému poľu
a tak:
= ⍵
+
, [V] kde ⍵ =
= ∗ ∗ !"#$
= ∗ (− ∗ ∗ #&$
'$
)
'(
Točivý moment na cievku sa zistí pomocou :
) = ∗
* *
+ ∗
,
*( ⍵
*(
Pravidlom ľavej ruky (Biot-Savartov zákon) môžeme určiť pôsobenie sily F:
, = - ∗ ∗ .#&,
Obr. 3.1: Princíp jednosmerného motora.
3.1 JEDNOSMERNÝ MOTOR S CUDZÍM BUDENÍM
Tento motor má napájaný stator z vlastného zdroja. Samotné magnetické pole
statora je potom úplne nezávislé od otáčok motora. Keďže chýba indukované napätie
14
motora, ktoré pôsobí proti svorkovému napätiu vo chvíli pripojenia motora na zdroj sa
na kotve objaví veľký prúd, ten je treba v prípade tohto motora vhodne obmedziť.
Obr. 3.2: Jednosmerný motor s cudzím budením.
Budiaci obvod:
/ = / / + 0/
*/
*(
Obvod rotora:
/ = 1 + 01
*
+ *(
Mechanický subsystém:
21
*⍵1
= )1 − )
*(
Uhlovú rýchlosť môžeme riadiť zmenou napätia kotvy, magnetického toku
odporu kotvy alebo striedou PWM signálu.
3.2 JEDNOSMERNÝ MOTOR S PERMANENTNÝMI
MAGNETMI
V tomto motore sa magnetické pole vytvára permanentnými magnetmi, čím
odpadá statorové vinutie. Táto konštrukcia jednosmerného motora je jednou
z najrozšírenejších z pomedzi spúšťačov.
15
Obr. 3.3: Dynamický model JSMCB.
3.3 SÉRIOVÝ JEDNOSMERNÝ MOTOR
Pripojením sériového motora k napájaciemu napätiu začne tiecť prúd rotorom
ale aj statorom. Záberový moment tohto motora je veľmi veľký. S rozbehom sa
zväčšuje indukované napätie v rotore a napätie na vinutí sa zmenšuje. Zmenšuje sa
celkový prúd prechádzajúci motorom a rovnako aj jeho točivý moment. So
zväčšujúcou sa rýchlosťou otáčok sa zmenšuje aj magnetické pole statora. Sériový
motor sa hlavne kvôli veľkému záberovému momentu pri rozbehu používa ako štartér
u automobilov.
3.4 DERIVAČNÝ JEDNOSMERNÝ MOTOR
Po pripojení motora k napájaciemu napätiu dosiahne magnetické pole na statore
okamžite maximálnu hodnotu a bude stále v celom rozsahu otáčania. V kotve sa
rýchlo s rýchlosťou otáčania zväčšuje indukované napätie, takže sa rýchlo zväčšuje
prúd i krútiaci moment. Keď dosiahne indukované napätie veľkosť napájacieho
napätia rýchlosť otáčania sa ustáli. Rozdiel je daný len úbytkom napätí na vinutí
kotvy, spôsobený prúdom, ktorý cez ňu preteká. Pretože je magnetické pole statora
konštantné, vplyvom zaťaženia sa nemení, nemení sa ani indukované napätie v
závislosti od záťaže a otáčky sú konštantné.
[5][6]
16
3.5 MATLAB MODELOVANIE A SIMULÁCIA ŠTARTÉRA
Simulink je vhodný nástroj na tvorbu dynamických modelov a ich simuláciu. Na
tvorbu modelov nie je potrebné programovať zložité diferenciálne alebo diferenčné
rovnice – ale pomocou blokových schém sa skladajú jednotlivé funkčné bloky, ktoré
sa vzájomne prepájajú a tým tvoria medzi sebou väzby. Modelované systémy môžu
byť spojité, diskrétne, prípadne ich kombináciou sa vytvárajú modely hybridných
systémov. Štartér je hlavný a najväčší spotrebič v elektrickej výbave automobilu
a keďže pri podpore štartu je pre nás dôležité poznať priebehy prúdových špičiek,
ustáleného prúdu a napätia, je dôležité toto zariadenie simulačne analyzovať.
Obr. 3.4: Celková schéma jednosmerného motora vytvorená v simulink-u.
Aby bolo možné vytvoriť simuláciu jednosmerného motora, za účelom zistenia
priebehu prúdu a nástupu uhlovej rýchlosti rotora, je potrebné nastaviť do príkazového
okna Matlab-u parametre simulovaného motora podľa Tab. 3.1.
Tab. 3.1: Parametre spúšťača.
L
Indukčnosť motora
0.00001H
R
Odpor vinutia motora
2Ω
Cu
Konštanta motora
0.2Vs
J
Moment zotrvačnosti
0.002Ws3
B
Viskózna zložka záťaže
0.0031275Ws3
17
V menu Simulink-u nastavíme parametre simulácie ako čas simulácie, periódu
vzorkovania, prípadne jednu z ponúkaných integračných metód. Ak sú všetky
nastavenia správne, dôjde k samotnej simulácii príkazom sim. Výsledkom sú priebehy
monitorovaných veličín. V našom príklade je to priebeh prúdu a uhlovej rýchlosti
v čase. Veličiny sa zobrazujú v Simulink-u po otvorení príslušného Scope.
Nasimulovaný je skokový nábeh napätia z 0V na 12V v čase 1s. Dôležitý je hlavne
priebeh prúdu, ktorý je zobrazený na obrázku Obr. 3.5, kde je vidno, že prúd pri
zahájení štartu dosahuje vysokých špičiek. Je to spôsobené tým že štartér je v kľude
a musí prijať veľký výkon na rozbeh a zároveň keď sa netočí, prejaví sa iba jeho činná
záťaž, až zvyšujúcimi otáčkami sa začne zároveň zvyšovať aj induktívna záťaž.
Obr. 3.5: Priebeh prúdu.
18
Obr. 3.6: Priebeh uhlovej rýchlosti v závislosti na pripojení napätia.
[6][7] [15]
3.6 MERANIE ŠTARTOVACÍCH PRÚDOV A NAPÄTÍ
PARALELNOU DIAGNOSTIKOU
Pod pojmom paralelná diagnostika rozumieme taký spôsob diagnostikovania chýb
a merania, keď do elektrického obvodu paralelne zapojíme meracie prístroje pomocou
ktorých vlastne meriame fyzikálne veličiny (najčastejšie napätie, prúd, odpor).
Ideálnym meracím prístrojom pre paralelnú diagnostiku je osciloskop, nakoľko z
hľadiska diagnostiky potrebujeme vidieť časový priebeh daných veličín a v našom
prípade by sme prúd a napätie nedokázali zmerať len multimetrom, keďže prúd
a napätie pri štartovaní dosahujú veľkých zmien. Výhodou paralelnej diagnostiky je
jeho univerzálnosť. Jednotlivé komponenty pracujú rovnako vo všetkých vozidlách.
Ak poznáme princíp činnosti daného komponentu a vieme odmerať jeho signál, ľahko
zistíme chybu.
19
Podmienky pre objektívne meranie osciloskopom:
-
Akumulátor je v dobrom stave a nabitý
-
Svorky a prívodné káble sú v dobrom stave a neprerušené
Meranie sme vykonávali osciloskopom Autoscope 3. Je to 8 kanálový
automobilový osciloskop. Niektoré priebehy boli merané osciloskopom Picoscope. Na
zosnímanie prúdu pomohli osciloskopu prúdové kliešte do 600A. Pripojenie
osciloskopu zrealizujeme podľa obrázku Obr. 3.7.
1. zasúvacie a pridržiavacie vinutie (trvalo ukostrené).
2. zasúvacia páka.
3. Pastorok.
4. zotrvačník motora s ozubeným vencom pre pastorok.
5. kontakt vlastného spúšťača.
6. spúšťač.
7. komutátor.
Obr. 3.7: Pripojenie osciloskopu na štartér automobilu svorka 30 a 50.
Meraním sme získali časové priebehy veličín prúdu a napätia štartérom. Prúdová
špička rozbehu spúšťača dosiahla cca 400A. meranie prebehlo na automobile Opel
Astra 1.6 GTC. Na tomto vozidle sa meralo osciloskopom Autoscope III Obr. 3.8.
20
Zaujímavé sú tiež poklesy napätia na silových svorkách štartéra. Kde napätie
v okamžiku otočenia kľúčika v spínačke kleslo na hranicu takmer 7V. Pri roztočenom
spúšťači sa napätie držalo na hranici cca 8V. je treba rátať s úbytkami v kábloch
a upínacích svorkách. No budeme uvažovať že takýto pokles nastane približne
rovnako na každom automobile. Neskôr sa podľa tejto skutočnosti bude v návrhu
riešiť časť riadenia.
Obr. 3.8: Priebeh prúdu a napätia na spúšťači vozidla Opel Astra.
Využili sme tiež možnosť merania pomocou auto osciloskopu Picoscope,
s ktorým sme merali štartovací prúd na automobile Škoda Octavia 1.9 TDI. Priebeh
prúdu je zobrazený na obrázku Obr. 3.9 kde je opäť vidno veľkú prúdový špičku a tiež
následný zvlnený prúd pri už rozbehnutom spúšťači. Ten je pôsobený prekonávaním
kompresie v jednotlivých valcoch a ním spôsobeným zmenám zaťaženia štartéra.
21
Obr. 3.9: Štartovací prúd automobilu Škoda Octavia.
[9]
4 PODPORA ŠTARTU
Je treba si uvedomiť, že zbytočné a nebezpečné podporovať štart so zlou, napr.
skratovanou batériou. Po zapojení zariadenie na podporu štartu je potom väčšina
prúdu odovzdaná chybnej batérii. V prípade, že automobil nemá žiaden akumulátor,
tak z hľadiska ochrany citlivých elektronických zariadení v automobile by sa nemalo
zariadenie tiež použiť na štartovanie. To však neplatí pre pomocné štartovacie zdroje
s vlastným akumulátorom. Pomocný štart sa využíva väčšinou za mrazu, kedy
prirodzeným fyzikálnym procesom má olovená batéria vplyvom nízkej teploty
elektrolytu nižšiu kapacitu a väčší vnútorný odpor než za teploty napr. 20 ° C a keď je
normálne nabitá. Podstatné ale je aby boli batérie v prevádzkyschopnom stave, nesmú
mať fatálne chyby. (Skratovaný článok apod.) Je potrebné skontrolovať silové svorky,
pripojenie akumulátora vo vozidle. Prechod medzi svorkou kábla a kontaktom batérie
22
nesmie byť zoxidovaný a musia byť pevne dotiahnutý. Ak nie je dodržaná táto
podmienka je na kontaktoch batérie významný prechodový odpor. Pri spustení
štartovacieho zdroja, kedy je batéria krátkodobo zaťažovaná zvýšeným napätím a slúži
ako vyrovnávač napätia, môže pri prechodovom odpore na kontaktoch batérie vniknúť
do elektrického rozvodu automobilu prepätiu. To môže za obzvlášť nepriaznivých
okolností poškodiť elektronickú výbavu automobilu.
Na trhu je na výber dostatok zariadení na podporu štartu. Niektoré pracujú na
princípe meničov, kedy je hlavným zdrojom energie sieťové napätie 220V. tu sa
využíva vysoká účinnosť meničov a maximálne možné prúdy, ktoré dokáže menič
dodať.
Ďalšou kategóriou je zariadenie, ktorého primárna funkcia je mikroprocesorová
nabíjačka batérií, avšak má aj funkciu podpory štartu, kedy dobíja batériu výrazne
rýchlo vysokým prúdom. Aby potom batéria dokázala v krátkej dobe sama naštartovať
auto. Tento princíp výrazne znižuje životnosť už tak dosť oslabenej batérie, navyše
oba systémy vyžadujú aby batéria okrem zníženej kapacity, nemala žiadnu inú chybu,
prítomnosť ktorej by mohla poškodiť elektroniku automobilu.
Posledným princípom, podľa ktorého sa uskutočňujú podpory štartu je že samotné
zariadenie využíva svoj integrovaný akumulátor, z ktorého čerpá energiu pre podporu
štartu. Táto batéria ale musí byť neustále dobíjaná.
4.1 SPÍNANÉ NAPÁJACIE ZDROJE
Spínané napájacie zdroje (meniče) stále viac nahrádzajú lineárne zdroje, ktoré
majú malú účinnosť (30%), veľké rozmery a s tým súvisiacu veľkú hmotnosť. Spínané
zdroje využívajú striedač s bipolárnymi alebo unipolárnymi tranzistormi, ktoré
pracujú na vysokej frekvencií. Výhodou meničov je aj jednoduchá regulácia vo
veľkom rozsahu. Reguluje sa pomocou striedy alebo zmenou frekvencie budiacich
impulzov. S využitím vyšších frekvencií dochádza k vyšším spínacím stratám.
Nevýhodou je tiež vysoká cena.
23
Obr. 4.1: Bloková schéma spínaného napájacieho zdroja.
4.1.1 Požiadavky na zdroj
Spínaný zdroj, ktorý tvorí základ nášho zdroja pre núdzové štartovanie musí byť
dostatočne výkonný a účinný. Keďže výkony štartérov sa pohybujú od 200- 800W
u motocyklov, 1- 1.7 KW u osobných automobilov až po 8KW u nákladných
automobilov, je treba správne zvoliť topológiu zdroja pre našu prácu.
Tab. 4.1: Porovnanie topológií spínaných zdrojov.
Po Potrebný výkon
Typ zdroja
0-100 W,
0-100 W,
Iout<5 A
Iout>5 A
200-400
W
400-1200 1200W
3000
W
Single switch
flyback
2-switch
flyback
Single switch
forward
2-switch
forward
Half bridge
24
Full bridge
ZVT full
bridge
Našou úlohou bude zamerať sa na oblasť výkonov okolo 1KW, čiže
v najpoužívanejšej oblasti osobných automobilov. Na tieto výkony nám podľa Tab.
4.1 vyhovujú 2-switch forward, half bridge, full bridge a ZVT full bridge.
4.2 JEDNO SPÍNAČOVÝ PRIEPUSTNÝ MENIČ
Forward menič bol vynájdený v roku 1974 a stal sa jedným z najpopulárnejšou,
široko použiteľnou topológiou pre výkony do 200 W. Činnosť obvodu je založená na
prúde, tečúci primárom, následne prúd tečie do sekundárneho vinutia a odtiaľ do
záťaže. Push-pull, plný most a polo most sú všetky forward meniče.
Obr. 4.2: Schéma jednočinného forward meniča.
Základný popis obvodu je nasledovný: Pri zopnutí tranzistora M2 v sekundárnom
obvode sa naindukuje prúd Is, ktorý tečie cez diódu D2 do záťaže R7. V rovnakom čase
25
začína magnetizačný prúd budiť primárne vinutie transformátora. Vypnutím
tranzistora M2 skončí magnetizácia primárneho vinutia , ktorý začne tiecť
magnetizačným vinutím L7 a ďalej pokračuje cez diódu D3 do záťaže. Magnetizačné
vinutie má rovnaký počet závitov ako primárne vinutie. Tým je zaručené, že do záťaže
ide rovnaké napätie a prúd ako cez primárne vinutie a takisto dióda D4 spína rovnaký
prúd ako počas ton, kedy je zopnutý M2. Z dôvodu týchto pochodov v obvode musí
byť maximálna strieda spínania 50%. Na zabezpečenie hladkého magnetizačného
prúdu musí byť primárne a demagnetizačné vinutie navinuté veľmi tesne.
Na Obr. 4.3 sú zobrazené typické priebehy pre forward s jedným spínacím
prvkom. Prvý zhora je priebeh napätia na záťaži. Hneď pod ním je zobrazený prú
indukčnosťou výstupného usmerňovača. Tu je vidno ako sa jej hodnota zvyšuje, keď
je zopnutý spínací prvok. IM2 je kolektorový prúd spínacieho tranzistora. VD4 a VM2 sú
napätia na demagnetizačnej dióde a tranzistore M2.
26
Obr. 4.3: Priebehy jedno spínačového forward meniča.
4.3 DVOJ SPÍNAČOVÝ PRIEPUSTNÝ MENIČ
Tento menič je komplikovanejší, pretože má dva tranzistory, pričom na jednom
z nich je vyšší potenciál vstupného napätia ako na druhom. Taktiež nie je nutné
navíjať demagnetizačné vinutie. Demagnetizačný prúd tečie primárnym vinutím
27
uvedením do vodivého stavu diód D6 a D7 späť do zdroja. Týmto spôsobom je možné
uložiť energiu do rozptylovej indukčnosti. Stúpajúce napätie z indukčnosti je
pripojene na vstupné napätie plus napätie na diódach (VIN+2*VD).
Obr. 4.4: schéma zapojenia dvoj spínačového forward meniča.
Obr. 4.5: Prúdové a napäťové priebehy typického forward meniča s dvoma spínačmi.
28
5 NÁVRH ZDROJA
5.1 SIMULÁCIA 2-SWITCH FORWARD
Pre naše zapojenie sme sa teda rozhodli použiť menič 2-switch Forward, ktorý je
pomerne jednoduchý aj čo sa týka riadenia. Ide o jednočinný 2 spínačový forward
menič, ktorý má jednoduchý transformátor a na demagnetizáciu jadra stačia diódy
v samotnom zapojení. Jedinou nevýhodou je že transformátor musí mať vyšší
transformačný pomer v porovnaní s inými zapojeniami, aby sa docielil žiadaný výkon.
Riadenie sa realizuje šírkovou impulzovou moduláciou PWM. Nami zvolená spínacia
frekvencia pri simuláciách a následnom návrhu obvodových prvkov bola 50kHz.
Obr. 5.1: Schéma simulácie dvoj spínačového forward-u v OrCad-e.
Podľa vhodne zvolených a vypočítaných obvodových súčiastok, hlavne
indukčností transformátora a indukčnosti výstupnej cievky sme dostali priebeh napätia
a prúdu, ktoré sú zobrazené na Obr. 5.1, ostatné prvky sú zvolené len aby napäťovo
a prúdovo zniesli namáhanie v danom zapojení. Na výstupný usmerňovač, čiže za
transformátor budú použité schottkyho diódy, pretože tam budú impulzy rádovo
desiatok kHz.
29
20V
10V
0V
V(R1:2)
200A
100A
SEL>>
0A
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
35ms
40ms
45ms
50ms
-I(R1)
Time
Obr. 5.2: Priebehy prúdu na výstupe (spodný priebeh), a napätia (horný priebeh).
5.2 NÁVRH JEDNOTLIVÝCH OBVODOV
Fyzikálny model bol zostavovaný a odsimulovaný na napätia a prúdy, s ktorými sú
schopné pracovať súčiastky z ktorých sme sa rozhodli zostaviť výrobok. Ako záťaž
bola použitá vhodná RL záťaž, čo najviac podobná parametrom štartéra v automobile.
Našim cieľom je dosiahnuť čo najvyšší prúd, ideálna hodnota by bola cca. 100A.
Súčiastky sekundárneho vinutia, vrátane transformátora sú stavané na takýto prúd.
Jediným problémom by mohlo byť vinutie. Preto sme kládli dôraz na jeho správne
navinutie a tiež výpočty. Keďže zdroj je realizovaný na jednofázovú sieť hodnoty
220V, tak na jej vstupe
sa nachádza diódový usmerňovač zložený z jedného
diódového mostíka. Za usmerňovačom je umiestnený jednosmerný napäťový medzi
obvod tvorený kondenzátorom.
Výkon meniča je daný vzťahom:
3 = 4516 . .516
Kde Urms je stredná hodnota napätia a Irms je stredná hodnota prúdu. Po úprave
získame strednú hodnotu prúdu meniča:
30
3
.516 =
4516
=
11009
= 7=
157<
Ako spínacie prvky sú použité výkonové MOSFET tranzistory STP10NK60Z. V
meniči sa ďalej nachádzajú dve demagnetizačné diódy STTH810D. Tieto diódy majú
na starosti demagnetizáciu jadra výkonového impulzného transformátora. Frekvencia
spínania tranzistorov je nastavená na hodnote 50 kHz. Hlavným integrovaným
obvodom pre riadiace obvody je použitý SG3525 doplnený o ochrany a budiace
stupne tranzistorov. Riadenie a ochrany sme realizovali aj pomocou procesoru
ATmega16.
5.2.1 Strana napájania, usmerňovač, jednosmerný napäťový
medzi obvod
Napätie zo siete je usmernené jednofázovým mostíkovým usmerňovačom
s diódami STTH810D. Mostík je dostatočne dimenzovaný na daný výkon. Maximálny
impulzný prúd je 7A. diódy sú stavané na 10A.
4>(?@)A
B
4>(DEF)A
C
B
√
250V
200V
150V
100V
50V
0V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
V(D2:2)
Time
Obr.
5.3:
Výstupné
napätie
z mostíkového
jednofázového
usmerňovača
odsimulované programom OrCad
31
400V
300V
200V
100V
0V
-100V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
35ms
40ms
45ms
V(D8:2)
Time
Obr. 5.4: Priebeh napätia za usmerňovačom pri už prítomných spínacích
tranzistoroch odsimulované programom OrCad
Usmernené napätie je potrebné vyhladiť. Na to nám bude slúžiť kondenzátor,
ktorého maximálna kapacita je:
H1IJ = CK ,
[F]
H1IJ = (L.M)(),
[F]
B
(.)()
H1IJ = 145,
[µF]
32
50ms
300V
250V
200V
150V
100V
50V
0V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
35ms
40ms
45ms
50ms
V(D1:2)
Time
Obr. 5.5: Priebeh napätie po vyhladení kondenzátorom odsimulované programom
OrCad
Keďže menič pracuje tak, že sú spínané oba tranzistory v diagonále, a striedajú sa
s vedením demagnetizačných diód. Preto musí byť maximálna možná strieda rovná
s=0.5. Strieda je definovaná podielom doby zapnutia výkonového prvku k celej
perióde:
1
O
Kde: T – perióda
#=
Maximálna doba zopnutia tranzistora nesmie prekročiť T/2. Pri nedodržaní tohto
pravidla by došlo k nekontrolovateľnému presýteniu transformátora. Zopnutie
tranzistora znamená pre impulzný transformátor magnetizáciu jeho jadra a doba
vypnutia jeho demagnetovanie. Ak by bola strieda väčšia ako 0.5 tak by sa
transformátor nestačil demagnetovať , teda demagnetizačný prúd by nestihol klesnúť k
nule a došlo by k rastu magnetizačného prúdu v každom cykle vysoko nad
prevádzkové hodnoty. Ďalším faktorom ovplyvňujúcu veľkosť striedy sú parazitné
kapacity výkonových tranzistorov. Táto parazitná kapacita sa nachádza medzi
kolektorom a emitorom tranzistora. Čím vyšší bude magnetizačný prúd tým rýchlejšie
bude nabitá táto kapacita a tým sa môže zvýšiť aj strieda. Táto kapacita je samozrejme
33
nabíjaná magnetizačným prúdom pri vypnutom tranzistore až do doby ak nedosiahne
napätie na tejto kapacite vstupného napájacieho napätia. Demagnetizácia začína v
okamihu, keď sú tieto parazitné kapacity nabité na polovicu napätia . V tom okamihu
preberajú činnosť demagnetizačné diódy a prúd nimi tečie späť do zdroja a zároveň sa
jadro impulzného transformátoru cez ne demagnetuje. V praxi však nie je možné
dosiahnuť striedu z uvedených príčin s=0.5. Preto bola zvolená strieda s=0,43.
5.2.2 Návrh transformátora
Transformátor bude vyhotovený z feritového jadra ETD 59 N67. Nevýhoda
feritového jadra je jeho malé sýtenie a to okolo 0,3T, pričom železné jadra môžu byť
sýtené až hodnotou magnetickej indukcie 1,3T. Výhodou ale bude možnosť použiť ho
do vysokých frekvencií. Riadenie bolo pri návrhu, a zhotovovaní nastavované na
50kHz. Avšak v záujme získania čo najvyššieho výkonu môžeme túto frekvenciu
zmeniť, hlavne u SG 35 25, keďže tento obvod je veľmi rýchly a aj jednoduchý čo sa
zmeny nastavenia týka.
Obr. 5.6: Kostrička transformátora a navinutý transformátor
Počet závitov primárneho vinutia:
=
()(6)()
=
()(.ML)(JQR )
(P)(F)
,
(.)(LSTJQU )
= 26
[závitov]
,[závitov]
[závitov]
34
Počet závitov primárneho vinutia bude N1=26. Pre určenie počtu závitov
sekundárneho vinutia je potrebné vziať do úvahy minimálne vstupné napätie 220V pri
ktorom musí byť na sekundárnej strane približne 12V.
4
=
4
Po dosadení
S
XY
=
N2=4 závity
Pre určenie indukčnosti primárneho a sekundárneho vinutia transformátora je
potrebné poznať magnetickú vodivosť materiálu jadra. Z katalógu zistená hodnota
magnetickej vodivosti je B=0.25T.
AL→ Λ=5300 nH/záv.
Potom pre indukčnosť vinutia platí:
L = N2 × Λ
Kde N je počet závitov vinutia a Λ magnetická vodivosť materiálu jadra. Pre
hodnotu indukčností vinutí transformátora platí:
0 = ∆= (26 )5300\10] = 3.5^_
0 = ∆= (2 )5300\10] = 21.2μ_
78.7mW
60.0mW
40.0mW
20.0mW
0W
15.535ms
15.536ms
ABS(W(M1))/75000
15.537ms
15.538ms
15.539ms
15.540ms
15.541ms
Time
Obr. 5.7: Spínacie, vypínacie a vodivostné straty na Mosfet tranzistore IRF 840
v reálnom zapojení STP10NK60Z, tranzistory majú podobné parametre.
35
298V
200V
100V
0V
-96V
3.60ms
V(M2:G)
3.65ms
V(M1:G)
3.70ms
3.75ms
3.80ms
3.85ms
3.90ms
3.95ms
4.00ms 4.04ms
Time
Obr.5.8: Modrý priebeh je priebeh napätia UDS a zelený je priebeh napätia UGS
na MOSFET tranzistoroch.
57uW
40uW
20uW
0W
14.2300ms
14.2400ms
ABS(W(D8))/75000
14.2500ms
14.2600ms
14.2700ms
14.2800ms
14.2900ms
14.3000ms
Time
Obr. 5.9: Straty na demagnetizačných diódach.
Tab. 5.1: Parametre zdroja potrebné na výpočet obvodových prvkov.
Symbol
Popis
Parameter
Vi
Vstupné napätie
220Vac/50Hz
Vo
Výstupné napätie
12V
Io
Výstupný prúd
80A
Po
Výstupný výkon
1040W
36
fs
Spínacia frekvencia
50kHz
η
Cieľová efektivita (plná 90% (zo siete na výstup)
záťaž)
Elektrický koeficient: ab = 0.145c d (10M )
ab = 0.145(50000) (0.3) (10M )
ab = 3262
Rozmery jadra:
ae =
Prúdová hustota:
2=
fgh >(Bij)
kl
fgh m>(Bij) (n )
ε=
ε=
S.S
, [A/cm2]
opP?q ri ks
.f = @
Prúd primárnym vinutím:
Hĺbka prieniku:
[cm5]
,
fgh
gh(Bgh) m>(ˇBij)
S.S
√v
,
,
, [A]
[cm]
[cm]
√
ε = 0.0296,
[cm]
Výstupný výkon transformátora:
3x = .x (<x +< ),
[W]
3x = 80(12 + 1),
[W]
3x = 1040,
[W]
3 =
Vstupný výkon:
3 =
M(.)
.]T
3 = 1167,
,
fz (.)
{
,
[W]
[W]
[W]
37
Výpočet množstva závitov primárneho vinutia, Np:
f =
@gh(Bgh) >(Bij) (n )
,[závitov]
o?q pP
(.)(n )
f = ()(L.SS)(.),
f = 24
[závitov]
[závitov]
Výpočet prúdovej hustoty (s využitím Ku =0,29)
2=
fgh m>(Bij) (n )
, [A/cm2]
o?q pPri ks
(S|)(.||)(n )
2 = ()(L,SS)(.)(L.ST)(.]), [A/cm2]
2 = 665
[A/cm2] Uvažovali sme s prúdovou hustotou
4A/mm2.
Výpočet efektívneho prúdu primára:
.} =
.} =
fgh
@gh(Bgh) m>(Bij)
S|
,
,
[A]
[A]
(.||)
.} = 7.5,
[A]
Na navinutie primárneho vinutia sa použil drôt s prierezom 1.3mm2, navinulo sa
presne 26 závitov.

=~}(P) = € ,
Prierez drôtu:
=~}(P) =
|.
,
S
[cm2]
[cm2]
=~}(P) = 0.0064,[cm2]
Požadované primárne vinutie:
?(‚)
}
=
}
= .TMS
#T
.L]
38
}
= 6.69
(new)μ
Výpočet Ω/cm:
‡
=
‡
= 320
(new)μ
ˆ‰
(new)μ
ˆ‰
‡
ˆ‰
=
Š‡/ˆ‰
XF}
M
S.S]
Výpočet odporu primárneho vinutia (MLT-mean length turn):
Š
} = )0OŒ}  Ž1‘ (10S ), [Ω]
} = (106)(30)(320)(10S ), [Ω]
} = 1.0176,
[Ω]
Straty primárneho vinutia:
3} = .} } ,
[W]
3} = (7.5) (1.0176),
3} = 57,
[W]
[W]
Výpočet sekundárneho vinutia:
6 = >
X (@’ @K )
(Bij) @gh(Bgh)
L()
(1 + ), [závitov]
,
6 = (,)() Ž1 + ‘, [závitov]
6 = 3.56,
[závitov], navinieme 4
Sekundárne vinutie tvorené štyrmi závitmi sa použila spleť tridsiatich drôtov
prierezu 0.4 mm2. Izolácia tvorí medzi primárom a sekundárom izolačná páska na
transformátory , závity sú potreté šelakom a celý transformátor je pre zvýšenie
odolnosti a pevnosti po obvode polepený transformátorovou páskou. Po zhotovení
transformátora nasledovalo kontrolné meranie a to overenie správneho orientovania
vinutí, pomocou generátora a osciloskopu, kde sme na primár pripojili generátor so
sínusovým signálom a osciloskopom sme sledovali, či je tento priebeh na primárnom
vinutí vo fáze so sekundárnym. LC meradlom sme zisťovali rozptylovú indukčnosť, tá
bola cca 15 µH. Magnetizačná indukčnosť dosahovala 111 µH.
39
Výpočet efektívneho sekundárneho prúdu:
’
.6 =
√
,
.6 =
.M
T
[A]
,
[A]
.6 = 56.73,
[A]
Prierez drôtu:
=~6(P) = “ ,
[cm2]
€
=~6(P) =
S
,
[cm2]
=~6(P) =0.04,
[cm2]
L]
Výpočet požadovaného sekundárneho vinutia:
?“(‚)
6
=
6
= .TMS
6
= 49
#T
.M
Výpočet Ω/cm:
(new)μ
‡
ˆ‰
=
‡
(new)μ
=
ˆ‰
(new)μ
ˆ‰
‡
Š‡/ˆ‰
XF6
M
M]
= 43
Výpočet odporu sekundárneho vinutia:
Š
6 = )0O(6 ) Ž1‘ (10S ), [Ω]
6 = (106)(4)(43)(10S ), [Ω]
6 = 0.0182,
Straty sekundára:
[Ω]
36 = .6 6 ,
[W]
36 = (56) (0.0182), [W]
40
36 = 57,
[W]
Obr. 5.10: Priebehy prúdu z magnetizačného a demagnetizačného.
5.2.3 Návrh výstupnej indukčnosti
Výstupná indukčnosť pre spínané napájacie zdroje je jednou z najdôležitejšou
súčiastkou meniča, preto treba pri návrhu a výpočtoch postupovať dôsledne. Lebo
zásadne ovplyvňuje vlastnosti zdroja.
Straty v magnetických materiálov sa podstatne zvyšujú so zvyšujúcou sa
frekvenciou. Avšak straty vo výstupnej indukčnosti sú omnoho menšie s porovnaním
s hlavným transformátorom meniča.
Typické hodnoty prúdov na výstupe transformátora (A), diódach (B a C)
a indukčnosti(D) sú zobrazené na Obr. 5.11.
[8]
41
Obr. 5.11. priebehy prúdov na výstupnom usmerňovači a indukčnosti pracujúcich na
striede rovnej 50%.
Kritický prúd indukčnosťou nastáva vtedy, keď pomer výstupného prúdu záťažou
a zvlnenia prúdu je rovný dI/Io=2. Keď tento pomer nie je dodržaný, výstupný prúd sa
stáva nespojitým. V prípade, že nastane takáto situácia, časová reakcia na zmenu
záťaže bude veľmi chabá.
42
Obr. 5.12: Výstupná indukčnosť filtra a jej prechod z kritického do nespojitého
režimu.
O = o,
Celková doba:
[s]
O = ,
[s]
O = 20,
[µs]
@
”1• = @ z ,
Dmin:
gh
”1• = ,
”1• = 0.054,
Výpočet požadovanej výstupnej indukčnosti:
0=
(@’ @– )(>Bgh )
∆
, [H]
43
0=
(JQU )()(.M)
,
T
0 = 1,78
[H]
[µH]
Počet závitov výstupnej cievky:
= 1000—
= 1000—
=6
˜(hl)
˜()
, [závitov]
.|T
ML
, [závitov]
[závitov]
Výstupná cievka je podobne ako sekundárne vinutie vyrobené spleťou káblu
priemeru 1,3 mm2.
6 RIADENIE
Riadenie je najvýznamnejšia časť v spínaných zdrojoch. Zabezpečuje samotnú
funkciu meniča, riadi spínanie výkonových prvkov na základe údajov z výstupu
a koriguje ich aj za pomoci informácií z ochranných prvkov. V práci sme sa zamerali
na dva spôsoby riadenia a to pomocou analógového obvodu SG3525 a pomocou
mikrokontroléra ATmega16 od firmy Atmel.
6.1 AT MEGA16
Hlavným prvkom pre riadenie spínania výkonových tranzistorov, riadenie
a regulovanie výstupného výkonu nám slúži obvod s mikrokontrolérom ATMEGA 16.
Tento riadiaci obvod má dva 8-bitové časovače a jeden 16-bitový. Vďaka tomu je
schopný riadiť až štyrmi kanálmi PWM signálom. Dosahuje rýchlosť až 16 MIPS pri
16 MHz, má 16 kB flash pamäte a 512 B eeprom. Rozhodli sme sa čip v puzdre
TQFP, čo je puzdro určené pre SMD montáž.
44
Obr. 6.1:Pohľad na mikrokontrolér ATMEGA16 a DPS pri odlaďovaní riadenia.
Prevodník analógovej hodnoty na digitálnu má funkcie:
-
10-bitové rozlíšenie
-
0,5 LSB integrálnu nelinearitu
-
2
-
13µs- 260µs čas prevodu
-
Viac ako 15kSPS maximálneho rozlíšenia
-
8 multiplexných vstupov
-
7 diferenčných vstupov
-
2 diferenčné vstupy s možnosťou zosilnenia 10x a 200x
-
Voliteľné nastavenie pre výsledok odpočtu
-
Rozsah vstupného napätia 0- Vcc
-
Možnosť nastavenia rozlíšenia na 2,56 V ADC
-
Prerušenie pri skončení prevodu
LSB absolútnu presnosť
45
Obr. 6.2: PWM výstup z ATmega16. Časová základňa je nastavená na 4 µs,
perióda impulzov trvá 5.5 dielika, čiže je to 22 µs. Spínacia frekvencia c = ,
čiže sme dosiahli spínaciu frekvenciu 45kHz.
Využitie procesora na účely riadenia má svoje výhody, keď možno jedným čipom
realizovať dosť zložité operácie, rýchlo a jednoducho meniť nastavenia. V našom
prípade bude procesor fungovať primárne ako zdroj PWM signálu pre MOSFET
výkonové tranzistory, tie bude ovládať sám nezávisle od pokynov obsluhujúceho a to
tak, že výstup meniča budeme snímať AD prevodníkom a budeme ho udržovať na
hodnotách bezpečných pre elektrické obvody vozidla pri ešte nezahájenom štarte
a zároveň bude vedieť rozpoznať kedy štart nastane. To bude tiež úlohou prevodníka
zistiť to. Čiže v kľude bude udržovať napätie a prúd na takých hodnotách, že batéria
sa bude mierne nabíjať. Pri skokovitom poklese napätia, odsimulovanom a zmeranom
v kapitole 3 zaháji podporu štartu. Vtedy bude budiť tranzistory maximálnou možnou
striedou tohto zapojenia 50%. Prevodník má 8 kanálov, z ktorých budeme využívať 2.
Jeden bude pripojený na spomínaný výstup meniča a druhý bude pripojený na
potenciometer. Ním bude možné regulovať výstup manuálne v prípade potreby. Na
46
dvoj-riadkový LCD display sa bude zobrazovať informácia o výstupnom napätí a
veľkosti striedy. Zariadenie je možné doplniť o rôzne prepäťové a nadprúdové
ochrany, tepelné snímače na chladičoch.. Samotný prevod trvá 13µs pri externom
krištáli 16 MHz. Čo by nám v ideálnom prípade dalo maximálnu možnú spínaciu
frekvenciu 75kHz, no skutočnosť pri využití iba jedného kanála AD a časovača ako
zdroja PWM, bola asi o tretinu menšia, ako vidno na Obr. 6.3 Bolo to len 44kHz. Čim
viac vecí bude musieť vykonávať procesor tým bude pomalší a tým pomalšie bude
reagovať na výstupy z meniča, ak vôbec. Toto je obrovská nevýhoda oproti rýchlym
analógovým prvkom. A preto by bolo vhodnejšia voľba rýchlejších procesorov. Na
takéto účely.
Obr. 6.3: PWM regulácia na základe výstupného napätia.
47
Obr. 6.4: PWM regulácia na základe výstupného napätia.
Keďže
tu
nastáva
problém
ďalšieho
zvýšenia
frekvencie
spomínaným
mikrokontrolérom, aj vôbec dosiahnutie spínacej frekvencie väčšej ako 45kHz pri
minimálnom
zaťažení
obvodu
a s použitím
externého
16MHz
oscilátora,
najjednoduchším a aj najlacnejším riešením je na spínanie použiť analógový PWM
modulátor SG3525. Zdrojový kód, ktorým je programovaný spomínaný procesor je
uvedený v prílohe.
[14]
6.2 SG3525
Hlavným obvodom je monolitický šírkovo pulzný regulátor s dvoma výstupmi
pre spínacie tranzistory - SG3525N. Obvod je využitý pre spínanie oboch tranzistorov
pre spínaný zdroj. Tento integrovaný obvod spolu s tranzistormi pracuje s konštantnou
frekvenciou nastavenou na 50 kHz. Schéma zapojenia obvodu vychádza z
katalógového zapojenia obvodu. Oscilátor je nastavený vonkajšími prvkami RT a CT
na konštantnú frekvenciu. Obvod má funkciu pomalého zapínania, ktorá je
48
realizovaná nabíjaním externého kondenzátora. Ten sa pripája na vývod IO
označeného ako SS- Soft Štart. Jeho vyskratovaním je realizovaná funkcia vypnutia
obvodu, skratovanie sa spustí ochranným obvodom v prípade vysokého nárastu
napätia alebo prúdu.
Charakteristika obvodu :
- Napájacie napätie 8-35V
- Referenčné napätie 5,1V(+/- 1%)
- Frekvencia oscilátora 100Hz-500Khz
- Interný soft štart
- Dvojitý výstup, vhodný pre ovládanie Mosfet tranzistorov
- Spätná väzba pre reguláciu šírky impulzov
Značenie vývodov IO:
Obvod je v puzdre DIP16 v klasickom prevedení.
Obr. 6.5: Prevedenie puzdra a označenie vývodov obvodu SG3525N
6.2.1 Nastavenie frekvencie oscilátora
Frekvenciu oscilátora v obvode je možné nastaviť dvoma obvodovými prvkami R
a C. Tie sa pripájajú na vývody označené na Obr. 6.6 RT a CT. Ich hodnoty je možné
vypočítať pomocou vzorcov alebo „narýchlo“ zvoliť z priebehov kapacity a hodnoty
odporu v závislosti na perióde. V druhej možnosti je možné priamo odčítať frekvenciu
z grafu pri priamej voľbe časovacieho kondenzátora CT a odporu RT Obr. 6.6. Ďalšou
49
možnosťou je vypočítať hodnoty oboch súčiastok pri zvolenej frekvencii podľa
nasledujúceho vzorca:
c=
,
™ (.|D™ DK )
[Hz]
Obr. 6.6: Grafické určenie kmitočtu oscilátoru.
[9]
Keďže frekvencia oscilátora je nastavená na hodnotu 50 kHz, z hore uvedenej
rovnice tak tomu odpovedajú hodnoty: RT=1.9 kΩ,CT=15 nF. Nasledujúci graf
zobrazuje určenie frekvencie oscilátora.
50
Obr. 6.7: PWM pomocou SG 3526, 43kHz.
6.2.2 Spätná väzba obvodu
Obvod je možné zapojiť so spätnou väzbou, ktorá udržiava konštantné napätie
na výstupe meniča. V schéme je spätná väzba pripojená priamo na výstup meniča. Tá
je potom privádzaná na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača vnútri obvodu. Na
invertujúcom vstupe je napájacie napätie, v našom prípade 12V. Ak nastane rozdiel na
vstupoch, upraví sa šírka impulzov tak, aby sa rozdiel vyrovnal. Čiže v prípade
vyššieho napätia ako je napájacie riadiaceho obvodu sa šírka impulzov zmenší,
v prípade menšieho napätia sa zväčší. Prípadne dolaďovanie riadenia je možné riešiť
odporovými deličmi.
[13]
6.3 NAPÁJACIE A OCHRANNÉ OBVODY
Napájanie ATmega16, ktorá má napájanie 5V, je riešené spínaným zdrojom
LM2574. Je to monolitický integrovaný obvod, ktorý pracuje ako spínaný znižovací
51
menič ktorý má rozsah vstupného napätia 4V - 60V, čo plne postačuje naším
podmienkam. Výstupné napätie je 5V a je schopný dodať prúd 500mA. Dosahuje
efektivitu 88%.
Parametre obvodu:
-
Výstupný prúd 500mA
-
Vstupné napätie 4V až 60V
-
Výstupné napätie 5V
-
Frekvencia 52 kHz
-
Účinnosť 88%
Obr.6.8: Schéma zapojenia LM2574.
Na napájanie SG 3525, pre ktorý je výhodné napájať napätím blízkym
regulovanému napätiu sa použil adaptér ktorého výstupné stabilizované napätie má
14V.
Ochranný obvod má riešený softvérom a to v dvoch stupňoch, keď sa pozoruje
výstupné
napätie
a zároveň
napätie
prevedené
z prúdového
transformátora,
sekundárneho obvodu meniča, v prípade nebezpečného prekročenia definovaných
hraníc napätia a prúdu na výstupe riadenia dá povel na okamžité vypnutie spínacích
tranzistorov.
[6]
7 CELKOVÁ SCHÉMA ZAPOJENIA, DPS
A MERANIE NA VZORKE
Na obrázku Obr. 7.1 je zobrazená celková schéma zapojenia, kde sa na spoločnej
doske nachádza navrhnutý menič a budenie. Budenie od meniča galvanicky oddelené
52
transformátorom s počtom závitov primárneho vinutia rovným 24 závitov a dvoma
sekundárnymi závitmi navinutými súhlasne s primárnym vinutím a počtom 28
závitov. Použila sa kostrička s prierezom 25mm2 a návrh závitov bol podobný ako
u návrhu impulzného výkonového transformátora meniča. V budiacom obvode je
odporovým deličom nastavený pracovný bod budiaceho tranzistora BD438N.
Kondenzátory majú odrušovaciu funkciu.
Obr. 7.1: Celková schéma zapojenia.
Hotový výrobok je z bezpečnostných dôvodov umiestnený do uzemnenej
hliníkovej truhličky, ktorá bude chrániť proti dotyku živých častí obsluhujúcou
osobou a zároveň slúži aj ako chladič pre výstupnú diódu STTH200004TV1.
53
Obr. 7.2: Finálne zapojenie zdroja a jej umiestnenie do hliníkovej truhličky.
54
8 ZÁVER
Na vyriešenie zadanej úlohy sme najskôr urobili analýzu štartéra v programe
Matlab, z ktorého bol jasnejší priebeh prúdu a hlavne prúdová špička pri pripojení
napätia na štartér. Vykonali sme aj niekoľko reálnych meraní prúdových a napäťových
pochodov spúšťača prúdovými kliešťami pripojenými k Osciloskopu Autoscope III a
Picoscope. Zistili sme že pokles napätia pri štarte bol vždy cca. 8V. Tento údaj je
dôležitý pre riadenie, ktoré v závislosti od tohto napätia prúdovo prispôsobí výstup
zariadenia. Špička štartovacieho prúdu sa dosiahla hodnoty 400A. Následne sme
vybrali vhodné zapojenie meniča a tým sa stal dvoj tranzistorový priepustný menič.
Maximálna doba zopnutia tranzistora nesmie prekročiť T/2. Pri nedodržaní tohto
pravidla by došlo k nekontrolovateľnému presýteniu transformátora. Spínacia
frekvenciu sme zvolili 50 kHz. Pri návrhu meniča sme prihliadali hlavne na správne
napäťové a prúdové dimenzovanie súčiastok. Veľký dôraz bol kladený na návrh
transformátora a jeho správne navinutie, keďže je to jedna z najdôležitejších súčiastok
obvodu. Primárne vinutie malo 26 závitov a navinulo sa z drôtu o priemere 1.3 mm2,
sekundárne vinutie sa na požadovaný prierez 9 mm2 vytvorilo spleťou tridsiatich žíl
drôtu 0.4 mm2. Aj napriek dôkladnému navíjaniu nám ale vyšla rozptylová
indukčnosť okolo 15 µH. čo je približne 10% magnetizačnej indukčnosti. Bolo to
spôsobené neoptimálnym rozložením vinutia, ale hlavne ručným navíjaním. Táto
väčšia rozptylová indukčnosť sa ale prejavila len vyššími stratami. Na činnosť
a ostatné parametre nemala až taký veľký vplyv. Na riadenie sa použili dva spôsoby.
Digitálnym spôsobom sme riadili pomocou mikrokontroléra ATmega16 od firmy
Atmel. Jeho výhodou je možnosť realizovať jednoducho súčasne riadiace, ochranné
a komunikačné obvody, tiež je výhoda rýchlo a jednoducho meniť nastavenia
riadenia. K procesoru sme pripojili dvoj riadkový LCD display, cez ktorý s nami
obvod komunikoval. Ukazuje veľkosť výstupného napätia a tiež veľkosť PWM
v percentách.. Štandardne udržuje na výstupe 12V a prúd cca 10A. poklesom napätia
vyvolaným zahájenia štartu je schopný zvýšiť prúd až na hodnotu 80A. Týmto
spôsobom sme vyriešili inteligentnú časť riešenia práce. Pri generovaní PWM sme
však narazili na problém dosiahnutia zvolenej spínacej frekvencií. Je to spôsobené
veľkou hodnotou času prevodu AD prevodníka. Tá sa pri použití externého 16 MHz
kryštálu pohybovala pri hodnote 13 µs. čo by nám malo dať pri použití iba prevodníka
a časovača na generovanie impulzov malo dať spínaciu frekvenciu presahujúcu 70
kHz. Avšak procesor mal na starosti aj ochranné obvody snímanie vstupných tlačidiel,
potenciometra a výpis na display s týmto softvérom sme dosiahli spínaciu frekvenciu
blížiacu 45 kHz. Tým sme zistili, že 8-bitový procesor sa nehodí na riadenie súčiastok
spínacieho obvodu. Preto sme realizovali riadenie aj pomocou analógového generátora
PWM SG3525. Ten má nastavenie spínacej frekvencie pomocou externých prvkov R
a C v rozsahu 100 Hz až 500 kHz. Celé zariadenie sa dalo na spoločnú dosku
plošných spojov navrhnutú v programe Eagle a umiestnilo sa do hliníkovej truhličky ,
ktorá slúži hlavne ako ochrana pred dotykom nebezpečných živých častí, ale aj ako
chladič.
Zoznam použitej literatúry
[1] Kozumplík, J., Akumulátory motorových vozidiel. Praha: Nakladateľstvo
dopravy a spojov, 1985. 232 s. OD 31-045-85 05-110
[2] Dobrucký, B.- Špánik, P., Modelovanie a simulácia výkonových
polovodičových štruktúr. Žilina: EDIS, 1999. 203s. ISBN 80-710-575-4
[3] Mohan, N.- Undeland, T.- Robbins, W., Power Electronics. North America:
Wiley, 1989. 802s. ISBN 0-471-42908-2
[4] Arendáš, M. Ručka., Nabíječky a nabíječe. BEN, 1999, 112 strán.
[5] Žalman, M., Akčné členy, STU, Bratislava 2003
[6] Mravec R., Elektrické stroje a prístroje 2, Bratislava: Alfa, 1976
[7] Pazourek, J., Simulace biologických systémů, Praha: Grada, 1992
[8] Colonel, WM. T. McLyman, Transformer and inductor design
handbook.[online]. USA Idyllwild, 2004. [cit. 2011-04-28]. Text v anglickom
jazyku. ISBN 978-0-203-91359-8. Dostupné na internete:
http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9780203913598.ch14
[9] Martinec, J. Test spoušťěče. Autoexpert, časopis profesionálů
v autoopravárenství. ISSN 1211-2380 (10.2009)
[13] Regulating pulse width modulators SG3525N [online] STMicroelectronics
c2000 [cit. 2011-28-04]. Text v anglickom jazyku. Dostupné na internete:
http://www.datasheetcatalog.org
[14] Atmel corporation, ATmega16.[online]. San Jose 2011. [cit. 2011-04-28].
Text v anglickom jazyku. Dostupné na internete:
http://www.atmel.com/dyn/products/product_parameters.asp?category_id=16
3&family_id=607&subfamily_id=760&part_id=2010&ListAllAttributes=1
[15] Foltin, M., Simulink- dynamické systémy pre MAC OS X. [online]. [cit. 201104-28]. Dostupné na internete: http://www.macplanet.sk/portal/?p=1491
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval
samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Jozefom Sedlákom a používal
som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa 2. 5. 2011
____________________
podpis
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: ............ Doska plošných spojov vytvorená v programe Eagle a hotová DPS.
Príloha A:Doska plošných spojov vytvorená v programe Eagle a hotová DPS.
Download

Žilinská univerzita v Žiline INTELIGENTNÝ ZDROJ PRE