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 và tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

: Trung tá

Học hàm học vị

: Tiến sĩ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Ngày 8 tháng 10 năm 2015


Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi 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 các ký hiệu, viết tắt, các bảng, các hình vẽ………............................
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................95


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 sự thật của TLP 250.................................................................................59
Bảng 3.1. Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID.......................................................74
Bảng 3.2. Xác định thông số bộ điều khiển PID dựa vào thực nghiệm.....................75

Hình 2.19. Bộ biến đổi CÚK với khóa chuyển mạch lý tưởng khi u = 0..........................36
Hình 2.20. Mô phỏng bộ biến đổi giảm áp........................................................................40
Hình 2.21. Cấu tạo của hệ con 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 ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 40 (%).....................43
Độ dài xung tương đối 30 (%)............................................................................................43
Hình 2.25. Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 30 (%).....................43
Hình 2.26. Điện áp ra bộ biến đổi buck khi đồ dài xung tương đối 20 (%).....................44
Hình 2.27. Cấu tạo tấm Peltier...........................................................................................45
Hình 2.28. Sự truyền tải nhiệt............................................................................................46


Hình 2.29. Thông số của Peltier.........................................................................................46
Hình 2.30. Đặc tuyến của Peltier TEC1-12706.................................................................46
Hình 2.31. Tản nhiệt cho tấm Peltier.................................................................................47
Hình 2.32. Tủ chứa thiết bị phát nhiệt...............................................................................48
Hình 2.33. Quạt lưu chuyển khí lạnh trong 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 của TLP 250..................................................................................59
Hình 2.40. Thay đổi độ rộng xung bằng TLP 250.............................................................60
Hình 2.41. Bộ giảm áp cho tấm peltier..............................................................................60
Hình 2.42. Mạch điều khiển quạt khuếch tán nhiệt lạnh trong 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 3.26. Đồ thị quá trình xác lập điều khiển PID.........................................................85
Hình 3.27. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =15 và Kp=16................87
Hình 3.28. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp =17 và Kp = 18......................87
Hình 3.29. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 19 và Kp = 20.....................88
Hình 3.30. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kp = 21 và Kp =22......................88
Hình 3.31. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.1 và Kd = 0.2...................89
Hình 3.32. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Kd = 0.3......................................89
Hình 3.33. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.01.....................................90
Hình 3.34. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.02.....................................90
Hình 3.35. Nhiệt độ mặt lạnh theo thời gian với hệ số Ki = 0.03.....................................91
Hình 3.36. Đồ thị nhiệt độ bên trong tủ chứa thiết bị điện tử cần làm mát.....................91
Hình 3.37. Mô hình hệ thống ổn định nhiệt độ khi vận hành..........................................92


1

MỞ ĐẦU
Ổn định nhiệt độ cho thiết bị điện tử là vấn đề rất quan trọng bởi nó ảnh
hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động, độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. Chính
vì vậy việc ổn định nhiệt cho thiết bị luôn được nhà sản xuất tính toán kỹ để
phù hợp với từng thị trường, vùng miền có điều kiện khí hậu khác nhau. Đặc
biệt với các thiết bị tích hợp chưa nhiệt đới hóa. Trong thực tế các phương
pháp ổn định nhiệt độ truyền thống là làm mát tự nhiên, làm mát cưỡng bức
bằng quạt gió rất phổ biến bởi nó có ưu điểm giá thành rẻ và rất dễ thực hiện,
nhưng nhược điểm là hiệu suất làm mát thấp và gây ồn, thậm chí không thể áp
dụng được trong các điều kiện không gian nhỏ, nhiệt độ môi trường lớn ( trên
các trạm vũ trụ, thiết bị hàng không…). Với sự phát triển của công nghệ nhiệt
lạnh, ngày nay nhiều hệ thống điện tử còn được làm mát bằng hệ thống điều
hòa nhiệt độ. Việc này giúp tăng hiệu quả khi kết hợp với phương pháp làm
mát truyền thống. Tuy nhiên làm mát bằng điều hòa chỉ áp dụng cho các hệ

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.
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với thầy giáo
hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Thanh Tiên đã tận tình hướng dẫn định
hướng về nội dung và phương pháp nghiên cứu các vấn đề trong quá trình
thực hiện luận văn.
Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điều khiển đã
tận tình hướng dẫn nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi, và đóng góp nhiều ý
kiến quý báu cho luận văn.


3

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả đồng nghiệp, bạn bè và
gia đình đã động viên và giúp đỡ rất nhiều để luận văn được hoàn thành.
Do thời gian có hạn, yêu cầu thiết bị thử nghiệm nên trong quá trình thực
hiện luận văn chắc chắn sẽ không tránh được những hạn chế. Vì vậy tác giả
kính mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn của các thầy cô nhiều hơn. Tác giả
xin chân thành cảm ơn!


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ
TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG NHIỆT- ĐIỆN PELTIER.

Ứng dụng sự phản ứng hóa học ta sử dụng các muối pha trộn để làm lạnh.
Ví dụ: hòa trộn 31 (gam) NaNO3 với 31 (gam) NH4Cl với 100 (gam) nước ở
10 (0C) ta được hỗn hợp có nhiệt độ - 12 (0C) [3].
- Tiết lưu khí không sinh ngoại công (hiệu ứng Joule-Thomson).
Có thể dãn nở khí không sinh ngoại công bằng cách tiết lưu chúng qua các
cơ cấu tiết lưu từ áp suất cao P1 xuống áp suất thấp hơn P2, không có trao đổi
nhiệt với môi trường để sinh lạnh [3].
- Dãn nở khí trong ống xoáy.
Khi cho một dòng không khí áp suất 6 (bar) ở 20 ( 0C) thổi tiếp tuyến với
thành trong của ống, vuông góc với trục ống phi 12 (mm) thì nhiệt độ ở thành
ống tăng lên trong khi nhiệt độ ở tâm ống giảm xuống. Khi đặt một tấm chắn
sát dòng thổi tiếp tuyến có đường kính lỗ < 12 (mm) thì gió lạnh sẽ đi qua
tấm chắn gió còn gió nóng đi theo hướng ngược lại. Độ chênh lệch nhiệt độ
lên đến 70 (K). Nhiệt độ phía lạnh đạt tới -12 (0C), phía nóng tới 58 (0C), áp
suất sau khi giãn nở bằng áp suất khí quyển [3].
- Tan chảy hoặc thăng hoa vật rắn.
Đây là phương pháp chuyển pha các chất tải lạnh như nước đá, nitơ lỏng và
đá khô [3].
- Bay hơi chất lỏng.
Khi quá trình bay hơi chất lỏng diễn ra bao giờ nó cũng gắn liền với quá
trình thu nhiệt. Nhiệt lượng cần thiết để bay hơi một kg chất lỏng gọi là nhiệt
ẩn bay hơi r. Vì nhiệt ẩn bay hơi của chất lỏng bao giờ cũng lớn hơn rất nhiều
nhiệt ẩn hóa rắn nên hiệu ứng lạnh lớn hơn.


6

Chất lỏng bay hơi đóng vai trò là môi chất làm lạnh và chất tải lạnh quan
trọng trong kỹ thuật lạnh [3].
- Khử từ đoạn nhiệt:

Hình 1.1. Máy lạnh nén hơi
Các loại môi chất lạnh thường là amoniac và các loại freôn. Tùy theo
môi chất sử dụng trong máy lạnh mà hệ thống có đặc điểm riêng và cần một
số thiết bị phụ riêng [3].
1.2.2. Máy lạnh hấp thụ:
Là loại máy lạnh sử dụng năng lượng dạng nhiệt để hoạt động. Máy lạnh
hấp thụ có các bộ phận ngưng tụ, tiết lưu và bay hơi giống như máy lạnh nén
hơi. Riêng máy nén cơ được thay bằng một hệ thống bình hấp thụ, bơm dung
dịch, bình sinh hơi và tiết lưu dung dịch. Hệ thống thiết bị này chạy bằng
nhiệt năng (như hơi nước, bột đốt nóng) thực hiện chức năng như máy nén cơ
là “hút” hơi sinh ra từ bình bay hơi và nén nên được gọi là máy nén nhiệt.
Sơ đồ nguyên lý máy lạnh hấp thụ:
Các thiết bị ngưng tụ, tiết lưu, bay hơi và các quá trình 2-3, 3-4, 4-1
giống như máy lạnh nén hơi. Riêng máy lạnh nén nhiệt có các thiết bị bình
hấp thụ, bơm dung dịch, bình sinh hơi và van tiết lưu dung dịch bố trí như
hình 1.2. Ngoài môi chất lạnh, trong hệ thống còn có dung dịch hấp thụ làm
nhiệm vụ đưa môi chất lạnh từ vị trí 1 đến vị trí 2. Dung dịch sử dụng thường
là amoniắc/nước và nước/liti-bromua.


8

Hình 1.2. Máy lạnh hấp thụ
Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch loãng trong bình hấp thụ có khả năng hấp thụ hơi môi chất
sinh ra ở bình bay hơi để trở thành dung dịch đậm đặc. Khi dung dịch trở
thành đậm đặc sẽ được bơm dung dịch bơm lên bình sinh hơi. Ở đây dung
dịch được gia nhiệt với nhiệt độ cao (đối với dung dịch amoniắc/nước khoảng
1300C) và hơi amoniắc sẽ thoát ra khỏi dung dịch đi vào bình ngưng tụ. Do
amoniắc thoát ra, dung dịch trở thành dung dịch loãng, đi qua van tiết lưu

thụ, máy nén kiểu ejectơ cũng là kiểu máy nén nhiệt, sử dụng động năng của
dòng hơi để nén dòng môi chất lạnh.
Sơ đồ nguyên lý:


10

Hình 1.4. Máy lạnh ejectơ
Nguyên tắc hoạt động:
Hơi có áp suất cao và nhiệt độ cao sinh ra ở lò hơi được dẫn vào ejectơ.
Trong ống phun, thế năng của hơi biến thành động năng và tốc độ chuyển
động của hơi tăng lên cuốn theo hơi lạnh ra ở bình bay hơi. Hỗn hợp của hơi
công tác (hơi nóng) và hơi lạnh đi vào ống tăng áp, ở đây áp suất hỗn hợp
tăng lên do tốc độ hơi giảm xuống. Hỗn hợp hơi được đẩy vào bình ngưng tụ.
Từ bình ngưng tụ, nước ngưng được chia làm hai đường, phần lớn được bơm
nén về lò hơi còn một phần nhỏ được tiết lưu trở lại bình bay hơi để bay hơi
làm lạnh chất tải lạnh là nước.
Máy lạnh ejectơ có 3 cấp áp suất P h > Pk > P0 là áp suất hơi công tác, áp
suất ngưng tụ và áp suất bay hơi.
Trong thực tiễn hệ thống điều chỉnh và trao đổi nhiệt sử dụng môi chất
lạnh được ứng dụng rất rộng rãi đó là các hệ thống điều hòa không khí. Mục
đích sử dụng đa dạng dẫn đến hệ thống điều hòa cũng rất đa dạng cả về quy
mô và lĩnh vực ứng dụng. Dễ nhận thấy hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi
chất làm lạnh được ứng dụng nhiều trong công nghệ bảo quản thực phẩm và
phục vụ con người (hệ thống điều hòa nhiệt độ)... Đối với các thiết bị điện tử
việc ứng dụng hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng môi chất làm lạnh rất hạn chế.


11


gia mắc nối tiếp chúng vào một nguồn điện một chiều. Các thanh đồng tản
nhiệt giúp quá trình tỏa nhiệt giữa phía nóng và lạnh hiệu quả hơn.
Ưu điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier không gây tiếng ồn, không
có các chi tiết chuyển động và không sử dụng môi chất làm lạnh, thiết bị nhỏ
gọn dễ di chuyển. Một ưu điểm lớn là ta dễ dàng thay đổi chiều nóng lạnh
bằng cách đảo chiều nguồn điện [3].
Nhược điểm: thiết bị lạnh sử dụng hiệu ứng Peltier có hệ số lạnh chưa cao,
tiêu tốn điện năng và phải chạy liên tục do không trữ được lạnh do các cặp
nhiệt điện 1, 2 là các cầu nhiệt lớn. Cho tới ngày nay năng suất lạnh ứng dụng
hiệu ứng Peltier dưới 200 (W). Với lượng công suất này hoàn toàn có thể đáp
ứng tốt việc ổn định nhiệt độ cho các thiết bị điện tử bởi với sự tiến bộ của
khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng được tích hợp nhỏ gọn [3].
Hiện nay các tấm Peltier được thương mại hóa, có thể dễ dàng đặt mua với
nhiều lựa chọn về kích thước và công suất làm lạnh. Một số loại tấm Peltier
phổ biến trên thị trường hiện nay.
1.4.1. Peltier có hiệu suất cao:
Peltier hiệu suất cao được sử dụng vật liệu chất lượng cao nên tiết kiệm
điện năng hơn, thời gian đáp ứng nhanh. Loại này cho hiệu suất rất cao Q max
có thể đạt tới 172 (W), kích thước khá nhỏ gọn và có dạng hình vuông. Nhiệt
độ mặt nóng có thể lên đến 80 (0C).


13

Hình 1.6. Peltier có hiệu suất cao
Bảng 1.1. Một số loại Peltier có hiệu suất cao.
Loại
HP-127-1.0-0.8
HP-127-1.0-1.3-71
HP-127-1.4-1.15-71

11,3

(W)
56
36
80
65
62
37
94
120
172

(V)
15,7
16,1
16,1
16,7
16,3
16,3
24,9
24,6
24,6

(th=300k)
69
71
71
74
72

3,4
3,9
3,9
3,9
4,1
3,6
3,2

1.4.2. Peltier cho nhiệt độ cao:
Mặt nóng Peltier nhiệt độ cao có thể đạt 200 (0C) và có nhiều lựa chọn về
điện áp làm việc.

Hình 1.7. Petier cho nhiệt độ cao
Bảng 1.2. Một số loại Peltier nhiệt độ cao
Loại

Imax

Qmax

Vmax

DTmax

DTmax

A

B



VT-127-1.4-1.5-71

8

80

16.1

71

69

40

40

3.4

VT-127-1.4-1.5-72

6.1

62

16.3

72

70


24.6

69

68

40

40

3.6

VT-199-1.4-1.8

11.3

172

24.6

69

66

40

40

3.2


30

30

3.6

1.4.3. Peltier có kích thước nhỏ:

Hình 1.8. Peltier có kích thước nhỏ
Bảng 1.3. Một số loại Peltier có kích thước nhỏ
Loại

Imax

Qmax

Vmax

DTmax

A

B

C

D

H

TE-11-0.6-1.5

1.1

0.9

1.4

70

4

4

9

9

3.25

TE-11-0.6-1.2

1.4

1.2

1.4

69


Peltier có kích thước nhỏ bề mặt nóng, lạnh được phủ cách điện và lớp
mặt ngoài cùng dán bằng kim loại nên dễ dàng gắn lên các thiết bị cần gia
nhiệt hoặc tản nhiệt.
1.4.4. Peltier hoạt động với nhiều giai đoạn:
Loại này có hiệu suất thấp hơn các loại Pelttier khác.