Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Vấn đề an toàn vệ sinh thực phẩm là thách thức thường trực trong đời sống xã hội khi các hiện tượng thực phẩm bẩn xuất hiện ngày càng phổ biến, từ thịt chứa chất tạo nạc, rau củ tồn dư thuốc bảo vệ thực vật đến việc sử dụng hóa chất trong chế biến. Các phương pháp làm sạch truyền thống chủ yếu dựa trên thao tác thủ công kết hợp dung dịch rửa thông thường bộc lộ nhiều hạn chế: tiêu tốn thời gian, tốn sức lao động và khó loại bỏ triệt để vi khuẩn, hóa chất độc hại bám trong các khe hẹp, lỗ nhỏ li ti trên bề mặt thực phẩm.
Trước thực tế đó, công nghệ tẩy rửa bằng sóng siêu âm nổi lên như một giải pháp làm sạch tiên tiến nhờ cơ chế xâm thực khí, vốn đã được ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế. Tại Việt Nam, các thiết bị rửa siêu âm nhập khẩu đã xuất hiện trên thị trường nhưng có giá thành rất cao, gây cản trở việc tiếp cận và ứng dụng rộng rãi ở quy mô gia đình. Đề tài "Thiết kế và thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình" được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp/Điện tử Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật và giá thành, tạo ra thiết bị nội địa hóa phù hợp với nhu cầu sinh hoạt thường nhật.
Mục tiêu tổng quát của đề tài là ứng dụng kiến thức chuyên ngành kỹ thuật điện tử để tính toán, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật làm sạch, vận hành an toàn và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Đề tài xác định 7 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản giao nhiệm vụ:
- Tìm hiểu nguyên lý rửa bằng sóng siêu âm, tính chất căn bản của sóng.
- Khảo sát các thiết bị rửa bằng sóng siêu âm và đề xuất các thông số thiết kế.
- Tìm hiểu và lựa chọn biến tử siêu âm.
- Thiết kế mạch tạo xung kích và mạch công suất.
- Viết chương trình điều khiển các khối trên vi điều khiển (PIC 16F877A).
- Thi công, chạy thử máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm.
- Đánh giá so với các đề xuất ban đầu và so sánh với một số thiết bị hiện có trên thị trường.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phát sóng siêu âm công suất và cơ chế tẩy rửa bằng sóng siêu âm trong môi trường chất lỏng. Phạm vi không gian thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian từ ngày 21/03/2016 đến ngày 19/07/2016. Giới hạn kỹ thuật của hệ thống bao gồm: dung tích thùng rửa từ 5 đến 10 lít bằng vật liệu Inox; sử dụng biến tử phát sóng siêu âm làm việc trong dải tần số 20 kHz đến 60 kHz với công suất phát định mức 100 W; khối xử lý trung tâm dùng vi điều khiển họ 8-bit PIC 16F877A; hệ thống hỗ trợ các chế độ cài đặt linh hoạt về thời gian, tần số quét bằng tay cùng một số chương trình hoạt động cố định.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Về mặt lý thuyết vật lý sóng âm, nghiên cứu dựa trên đặc tính cơ học của sóng siêu âm với dải tần số quy ước từ 20 kHz đến 100 MHz. Sóng truyền trong môi trường đàn hồi tạo ra các vùng nén và vùng dãn xen kẽ, gây nên sự biến thiên áp suất cục bộ. Cơ chế làm sạch cốt lõi là hiện tượng xâm thực khí (cavitation) xảy ra trong lòng chất lỏng. Khi chùm sóng siêu âm có năng lượng và tần số thích hợp lan truyền, sự chênh lệch áp suất làm các bọt khí siêu vi chuyển động hỗn loạn, va chạm và kết hợp thành bọt khí lớn hơn. Đến giới hạn áp suất tới hạn, các bọt khí vỡ tung (sụp đổ), sinh ra các vi tia chất lỏng (micro-jets) với áp suất va đập cực lớn kèm theo nhiệt độ tăng cục bộ, bóc tách các mảng bám bẩn, hóa chất và vi sinh vật ra khỏi bề mặt thực phẩm mà không làm dập nát cấu trúc tế bào.
Về cơ cấu chuyển đổi năng lượng, tác giả phân tích hai nhóm biến tử: biến tử từ giảo (dựa trên sự thay đổi kích thước vật liệu sắt từ dưới tác động của từ trường ngoài theo đường cong từ hóa, thường dùng cho công suất lớn, tần số thấp) và biến tử áp điện (dựa trên hiệu ứng áp điện thuận - nghịch do anh em nhà Curie phát hiện năm 1880, sử dụng gốm áp điện như Titanat chì, Titanat bari). Biến tử áp điện được lựa chọn cho đề tài do kết cấu nhỏ gọn, dải tần hoạt động cao, hiệu suất biến đổi điện - cơ tốt ở mức công suất dưới vài trăm Watt.
Về lý thuyết điều khiển và biến đổi điện tử công suất, đề tài ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A kiến trúc Harvard RISC với 35 tập lệnh, tích hợp module điều chế độ rộng xung (PWM) phần cứng để tạo xung kích. Chu kỳ xung PWM ($PERIOD_{PWM}$) và hệ số chu kỳ ($DUTY_CYCLE_{PWM}$) được tính toán dựa trên các thanh ghi timer và giá trị chia trước theo công thức lý thuyết: $$PERIOD_{PWM} = [(PR2 + 1)] \times 4 \times T_{OSC} \times PV_{TMR2}$$ $$DUTY_CYCLE_{PWM} = (CCPRxL : CCPxCON\langle5:4\rangle) \times T_{OSC} \times PV_{TMR2}$$
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành: Khảo sát nguyên lý âm học, cấu tạo gốm áp điện và tham khảo các tài liệu quốc tế về thiết kế máy biến áp xung cao tần như ấn phẩm "Design of High Voltage, High Power and High Frequency Transformer in LCC Resonant Converter" của Jun Liu, Licheng Sheng cùng tài liệu kỹ thuật "Section 4 – Power Transformer Design" của hãng Texas Instruments.
- Phương pháp khảo sát thực nghiệm thị trường: Đo đạc và đánh giá thông số của hai mẫu máy rửa thương mại gồm máy rửa gia nhiệt 2 lít DR-MH20 (tần số 40 kHz, công suất nhiệt 100W, thời gian 0-60 phút) và máy rửa siêu âm ozon hoa quả (tần số 40 kHz, công suất 35W) để xác lập cấu hình thiết kế 100W/28 kHz cho dung tích 5-10 lít.
- Phương pháp tính toán giải tích và thiết kế mô phỏng: Tính chọn thông số mạch nghịch lưu, mạch định thời gian chết (deadtime), mạch lái cách ly quang (gate driver) và thông số dây quấn máy biến áp xung.
- Phương pháp chế tạo phần cứng và đo kiểm thực nghiệm: Thi công mạch in (PCB), lắp ráp các tầng công suất, tầng điều khiển, lập trình firmware và đo đạc dạng sóng điện áp thực tế bằng dao động ký (Oscilloscope).
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm được cấu trúc thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:
[Máy Biến Áp Xung]
[Biến Tử Áp Điện Siêu Âm]
[Chậu Rửa Inox 5-10L]
Cấu hình mạch nghịch lưu cầu một pha (Full-Bridge Inverter) sử dụng 4 khóa bán dẫn IGBT được lựa chọn thay thế cho cấu hình nguồn đôi hoặc biến áp có điểm giữa nhờ khả năng tối ưu hóa điện áp một chiều và dễ dàng điều khiển điện áp ngõ ra theo các trạng thái đóng cắt:
| Trạng thái | $Q_1$ | $Q_2$ | $Q_3$ | $Q_4$ | Điện áp ngõ ra sơ cấp ($V_{out}$) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Dẫn | Ngắt | Dẫn | Ngắt | $0\text{ V}$ |
| 2 | Dẫn | Ngắt | Ngắt | Dẫn | $+V_{DC}$ ($+310\text{ V}$) |
| 3 | Ngắt | Dẫn | Dẫn | Ngắt | $-V_{DC}$ ($-310\text{ V}$) |
| 4 | Ngắt | Dẫn | Ngắt | Dẫn | $0\text{ V}$ |
Giá trị điện áp hiệu dụng trên cuộn sơ cấp máy biến áp xung ($U_{AB,RMS}$) phụ thuộc vào khoảng thời gian dẫn $T_1$ trong nửa chu kỳ $T_S$: $$U_{AB,RMS} = V_{DC} \sqrt{\frac{2 T_1}{T_S}}$$
Chi tiết thiết kế và tính toán các tầng phần cứng trong hệ thống:
| Khối chức năng | Linh kiện / Thông số kỹ thuật chính | Kết quả tính toán và thiết kế |
|---|---|---|
| Khóa công suất | IGBT FGA25N120AN | $V_{CES} = 1200\text{ V}$, $I_C = 25\text{ A}$ (chịu được điện áp ngược cực đại $V_{DC} = 310\text{ V}$ và dòng định mức cuộn sơ cấp). |
| Máy biến áp xung | Lõi Ferit họ ETD (loại lõi ETD39) | Tiết diện hiệu dụng $A_E = 125\text{ mm}^2$, mật độ từ cảm cực đại $B_{max} = 1500\text{ Gauss}$ ($0{,}15\text{ T}$). Công suất $P_O = 100\text{ W}$, tần số làm việc $f = 28\text{ kHz}$. Số vòng dây sơ cấp $N_1 = 148$ vòng, thứ cấp $N_2 = 480$ vòng (tỷ số tăng áp từ $310\text{ V}$ lên $1000\text{ V}$ để kích biến tử). Tiết diện dây chọn theo mật độ dòng $J \approx 6\text{ A/mm}^2$ cho đường kính dây sơ cấp $0{,}3\text{ mm}$. |
| Mạch tạo thời gian chết (Deadtime) | Cổng đảo Schmitt-trigger 74HC14, Diode 1N4148 ($R_D = 50\ \Omega$) | Tụ nạp - xả $C_3 = C_4 = 1\text{ nF}$, điện trở định thời $R_3 = R_4 = 270\ \Omega$. Tạo khoảng trễ an toàn $T_{deadtime} = 1\ \mu\text{s}$ giữa hai IGBT cùng nhánh, ngăn ngừa tuyệt đối hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch nguồn. |
| Mạch lái cách ly (Gate Driver) | Ghép nối quang Optocoupler (OK1, OK2) | Điện trở hạn dòng cực G và Transistor bảo vệ: $R_9 = R_{10} = R_{11} = R_{12} = 1\text{ k}\Omega$, $R_3 = R_4 = 1\text{ k}\Omega$. Cách ly hoàn toàn mạch logic điều khiển $5\text{ V}$ với mạch công suất cao áp. |
| Khối cấp nguồn | Mạch nguồn chỉnh lưu và ổn áp đa kênh | Cung cấp nguồn DC $310\text{ V}$ cho mạch cầu IGBT; 4 bộ nguồn đôi $12\text{ V}$ DC cách ly độc lập (không chung mass) nuôi các tầng lái Opto; nguồn ổn áp $5\text{ V}$ nuôi vi điều khiển PIC và màn hình hiển thị LCD. |
| Khối giao tiếp và điều khiển | PIC 16F877A, LCD 16x2, hệ thống nút nhấn | Điện trở hạn dòng LED báo trạng thái $R = 330\ \Omega$ ($V_{LED} = 2 \div 3\text{ V}$, $I_{LED} = 10 \div 20\text{ mA}$); điện trở kéo lên nút bấm xác lập ở mức dòng tiêu thụ $0{,}5\text{ mA}$ tại nguồn $5\text{ V}$. |
Chương trình điều khiển được xây dựng dưới dạng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính và các chương trình con ngắt:
- Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo các cổng vào/ra (I/O), khởi tạo màn hình LCD, đọc trạng thái bàn phím để lựa chọn chế độ quét tự động hoặc cài đặt thông số thủ công.
- Lưu đồ cài đặt thời gian và tần số: Tiếp nhận các xung nút nhấn để tăng/giảm giá trị thời gian rửa và tần số kích trong dải định mức, cập nhật trực tiếp lên bộ nhớ vi điều khiển và xuất chuỗi ký tự hiển thị lên màn hình LCD.
- Lưu đồ tạo xung điều khiển: Cấu hình module PWM phát hai chuỗi xung vuông lệch pha nhau kích thích vào ngõ vào mạch deadtime, duy trì tần số ổn định $28\text{ kHz}$ và điều chỉnh độ rộng xung để thay đổi công suất tác dụng đặt lên biến tử siêu âm.
Nội dung chính theo từng chương
Chƣơng 1: Tổng quan
Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trước thực trạng thực phẩm bẩn và nguy cơ ngộ độc hóa chất trong xã hội hiện đại. Tác giả phân tích những hạn chế cố hữu của phương pháp làm sạch bằng tay, nêu bật ưu thế của công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm không gây ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe người dùng. Chương này xác định rõ các nhiệm vụ trọng tâm: nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thiết bị thương mại, tính toán thiết kế phần cứng (mạch công suất, mạch lái, khối điều khiển), thi công mô hình thực tế dung tích 5-10 lít bằng Inox, vận hành thử nghiệm ở công suất 100W, tần số 20-60 kHz và đánh giá hiệu năng hệ thống.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương 2 hệ thống hóa toàn bộ nền tảng khoa học cần thiết cho việc thiết kế:
- Các đại lượng vật lý đặc trưng của sóng âm: tần số ($f$), bước sóng ($\lambda$), vận tốc truyền sóng ($v$), sự phân loại sóng dọc - sóng ngang và cơ chế tiêu hao năng lượng do hấp thụ, tán xạ trong môi trường chất lỏng.
- Bản chất và vai trò của biến tử siêu âm: Phân tích cơ chế hoạt động của biến tử áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện thuận - nghịch, cấu trúc tinh thể gốm nén; so sánh với biến tử từ giảo để luận giải lý do lựa chọn biến tử áp điện cho các thiết bị dân dụng công suất vừa và nhỏ.
- Hiện tượng xâm thực khí (cavitation): Mô tả chi tiết quá trình hình thành, tích tụ năng lượng và nổ sụp của các bọt khí tạo áp lực vi mô đánh bật chất bẩn.
- Khảo sát cấu trúc phần cứng vi điều khiển PIC 16F877A: Tập trung vào kiến trúc tập lệnh RISC, cấu tạo thanh ghi, các mạch so sánh 8-bit/10-bit và phương thức tính toán chu kỳ, độ rộng xung PWM thông qua các thanh ghi PR2, Timer2, CCPRxL và CCPxCON.
- Cấu tạo và đặc tính của biến áp xung lõi Ferit tần số cao.
- Khảo sát hai dòng máy rửa thương mại điển hình trên thị trường: máy DR-MH20 (2 lít, 40 kHz, gia nhiệt 100W) và máy rửa siêu âm ozon hoa quả (40 kHz, 35W), làm cơ sở tham chiếu chọn lựa công suất 100W và tần số 28 kHz cho đồ án.
Chƣơng 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 trình bày các bước tính toán kỹ thuật cụ thể:
- Thiết lập sơ đồ khối chức năng tổng thể của máy rửa gia đình.
- So sánh ưu nhược điểm của 3 dạng nghịch lưu một pha (nguồn đôi, biến áp có điểm giữa, nghịch lưu cầu) và lựa chọn cấu hình nghịch lưu cầu 4 khóa IGBT FGA25N120AN.
- Tính toán máy biến áp xung công suất 100W, tần số 28 kHz, nâng áp từ $V_{in} = 310\text{ V}$ lên $V_{out} = 1000\text{ V}$: Xác định tích diện tích lõi và cửa sổ $A_W \cdot A_E$, chọn lõi Ferit ETD39 ($A_E = 125\text{ mm}^2$), tính toán số vòng sơ cấp $N_1 = 148$ vòng, thứ cấp $N_2 = 480$ vòng, mật độ dòng điện $J \approx 6\text{ A/mm}^2$ để chọn đường kính dây quấn sơ cấp $0{,}3\text{ mm}$.
- Thiết kế mạch deadtime tạo khoảng trễ $1\ \mu\text{s}$ bằng cổng NOT 74HC14 kết hợp diode 1N4148, tụ $1\text{ nF}$ và điện trở $270\ \Omega$.
- Thiết kế mạch lái cách ly quang dùng Optocoupler, tính toán các điện trở hạn dòng $1\text{ k}\Omega$ nhằm bảo vệ tiếp giáp cực G của IGBT.
- Thiết kế mạch điều khiển trung tâm vi điều khiển PIC 16F877A, tính chọn điện trở hạn dòng LED hiển thị ($330\ \Omega$) và mạch kéo lên nút bấm chống nhiễu ($0{,}5\text{ mA}$).
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý toàn mạch và sơ đồ hệ thống cấp nguồn đa kênh (nguồn $310\text{ V}$ công suất, 4 nguồn $12\text{ V}$ cách ly lái gate và nguồn ổn áp $5\text{ V}$).
Chƣơng 4: Thi công hệ thống
Chương 4 ghi lại quá trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang mô hình vật lý:
- Yêu cầu kỹ thuật trong thi công bo mạch: Đảm bảo độ bền cơ học, chống nhiễu điện từ tần số cao, cách điện an toàn giữa phần điện áp cao ($310\text{ V} - 1000\text{ V}$) và phần logic ($5\text{ V}$).
- Chế tạo và lắp ráp thực tế: Layout mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra tĩnh các khối mạch nguồn, mạch công suất, mạch điều khiển vi xử lý và mạch hiển thị LCD.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho phần mềm nhúng: Lưu đồ chương trình chính, lưu đồ chương trình con quét phím cài đặt thời gian rửa, lưu đồ chương trình con thiết lập tần số và lưu đồ tạo xung điều chế PWM đưa ra chân điều khiển.
Chương 5: Kết quả thực hiện đề tài
Chương 5 công bố các kết quả đo đạc thực nghiệm trên hệ thống phần cứng đã thi công:
- Kiểm tra chức năng giao tiếp: Giao diện LCD và bàn phím hoạt động chính xác, cho phép người dùng tùy chỉnh linh hoạt các thông số tần số và thời gian làm việc.
- Đo kiểm dạng sóng thực tế trên dao động ký: Ghi nhận dạng sóng điện áp kích cực G của các khóa IGBT; dạng sóng ngõ ra của mạch deadtime hiển thị rõ khoảng trễ $1\ \mu\text{s}$ giữa các nhánh kích; dạng sóng điện áp xoay chiều ngõ ra cuộn thứ cấp biến áp xung đạt biên độ đỉnh xấp xỉ $1000\text{ V}$ ở tần số $28\text{ kHz}$ cấp năng lượng cho biến tử siêu âm.
- Hoàn thiện mô hình máy rửa thực phẩm vật lý tích hợp chậu rửa Inox và biến tử phát sóng siêu âm.
Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển
Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: Hệ thống chạy thử nghiệm ổn định, phát sóng siêu âm đúng tần số và công suất tính toán, tạo ra hiện tượng xâm thực khí trong lòng chất lỏng làm sạch bề mặt thực phẩm. Nhóm tác giả thẳng thắn chỉ ra các khuyết điểm về kiểu dáng công nghiệp, độ ổn định của mạch khi làm việc thời gian dài liên tục và đề xuất các hướng nâng cấp: phát triển mạch tự động dò quét và bám tần số cộng hưởng của biến tử, bổ sung hệ thống gia nhiệt nước rửa và tích hợp module sục khí ozon để tăng cường khả năng khử trùng.
Kết quả và đóng góp
Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã chế tạo thành công một mô hình máy rửa thực phẩm bằng sóng siêu âm hoàn chỉnh với các thông số vận hành thực tế đã được đo kiểm:
- Tạo thành công nguồn điện áp xoay chiều cao tần biên độ xấp xỉ $1000\text{ V}$, tần số $28\text{ kHz}$, công suất $100\text{ W}$ trên tải biến tử áp điện từ nguồn điện lưới dân dụng thông qua mạch nghịch lưu cầu IGBT FGA25N120AN và biến áp xung lõi Ferit ETD39 ($N_1 = 148$ vòng, $N_2 = 480$ vòng).
- Mạch tạo thời gian chết hoạt động chính xác, tạo ra khoảng trễ ngắt dẫn $1\ \mu\text{s}$, loại trừ hiện tượng trùng dẫn và bảo vệ an toàn cho các van bán dẫn công suất.
- Mạch lái ghép nối quang thực hiện cách ly điện hoàn toàn giữa mạch vi xử lý $5\text{ V}$ và mạch công suất $310\text{ V}$, triệt tiêu xung nhiễu ngược chiều.
- Khối điều khiển PIC 16F877A tạo xung PWM ổn định, hiển thị trực quan thông số thời gian và tần số trên màn hình LCD, cho phép người dùng can thiệp cài đặt trực tiếp qua phím bấm.
Về giải pháp và kiến nghị, tác giả đề xuất việc tiếp tục chuẩn hóa quy trình quấn máy biến áp xung để giảm điện cảm rò, tăng cường cách điện chống ẩm cho các đường mạch công suất cao áp khi ứng dụng trong môi trường có nước của hộ gia đình. Đồng thời kiến nghị hoàn thiện phần cơ khí chậu rửa Inox có vỏ bọc tiêu âm nhằm giảm thiểu tiếng ồn phát ra trong quá trình xâm thực khí.
Về mặt đóng góp học thuật và ứng dụng, đồ án đã tự xây dựng và làm chủ toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo máy phát siêu âm công suất từ các linh kiện điện tử phổ biến trên thị trường Việt Nam mà không phải nhập khẩu các bo mạch nguyên khối đắt tiền từ nước ngoài. Nghiên cứu cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về việc kết hợp vi điều khiển tầm trung với kỹ thuật biến đổi điện tử công suất cầu H để kích biến tử gốm áp điện, mở ra khả năng thương mại hóa thiết bị làm sạch siêu âm gia dụng với giá thành hợp lý.
Hạn chế và hướng phát triển
Dựa trên các phân tích thực nghiệm và phạm vi nghiên cứu được văn bản công bố, đề tài còn tồn tại một số hạn chế:
- Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm, kết cấu cơ khí và vỏ hộp bảo vệ chưa đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ công nghiệp và khả năng chống nước dân dụng hoàn chỉnh.
- Mạch phát xung hiện hoạt động ở tần số phát đặt trước ($28\text{ kHz}$) hoặc chỉnh tay, chưa có mạch vòng khóa pha (PLL) để tự động bám tần số cộng hưởng cơ học của biến tử siêu âm khi nhiệt độ môi trường, mức nước hoặc tải trọng thực phẩm trong chậu thay đổi.
- Công suất phát cố định ở mức $100\text{ W}$, chưa có các cấp điều chỉnh công suất linh hoạt cho từng loại thực phẩm mềm (hoa quả dễ dập nát) hoặc cứng (thịt, thủy hải sản).
- Chưa tích hợp tính năng gia nhiệt dung dịch rửa và bộ sục khí ozon như các dòng máy cao cấp được khảo sát.
Hướng phát triển đề tài được nhóm tác giả xác định gồm:
- Thiết kế bổ sung khối tự động dò và bám tần số cộng hưởng của biến tử siêu âm để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện - cơ, tránh suy hao công suất khi biến tử bị trôi điểm làm việc.
- Tích hợp thêm bộ gia nhiệt điều khiển nhiệt độ nước tự động nhằm kích thích bọt khí xâm thực nổ mạnh hơn, tăng cường hiệu năng bóc tách chất bẩn.
- Lắp đặt thêm máy phát khí ozon độc lập giúp nâng cao hiệu quả khử độc tố, tiêu diệt vi khuẩn và phân hủy tồn dư thuốc bảo vệ thực vật trên thực phẩm.
- Nghiên cứu mở rộng dải công suất, hoàn thiện kiểu dáng công nghiệp khép kín, an toàn tuyệt đối về điện cho người dùng gia đình.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm có giá trị đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điện - Điện tử, và Điện tử Công nghiệp:
- Rất hữu ích cho người học và kỹ sư đang thực hiện các đề tài liên quan đến thiết kế bộ nguồn nghịch lưu cao tần (High-Frequency Inverter), kỹ thuật tính toán thiết kế máy biến áp xung lõi Ferit (cách tính diện tích cửa sổ lõi họ ETD, xác định số vòng dây, mật độ từ cảm cực đại $B_{max}$ và tiết diện dây dẫn).
- Cung cấp giải pháp mẫu mực về việc thiết kế phần cứng an toàn trong điện tử công suất: cách ly tín hiệu điều khiển bằng Optocoupler, nguyên lý tính toán mạch tạo thời gian chết (deadtime) dùng cổng đảo Schmitt-trigger kết hợp diode nạp-xả phân cực để bảo vệ van IGBT.
- Cung cấp tư liệu chi tiết về lập trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển PIC họ 16F (cụ thể là cấu hình các thanh ghi PWM của PIC 16F877A) kết hợp hiển thị màn hình LCD và giao tiếp nút bấm quét ma trận.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn mạch nghịch lưu toàn cầu (cầu H) thay vì mạch nghịch lưu nguồn đôi hay mạch biến áp có điểm giữa?
Mạch nghịch lưu cầu 4 khóa IGBT cho phép đảo chiều dòng điện qua cuộn sơ cấp máy biến áp một cách linh hoạt, tạo ra điện áp hai cực tính ($+V_{DC}$, $-V_{DC}$) và mức $0\text{ V}$. Điều này giúp dễ dàng điều khiển điện áp hiệu dụng ngõ ra bằng cách thay đổi thời gian dẫn $T_1$. Ngoài ra, mạch chỉ cần một nguồn cấp một chiều $V_{DC} = 310\text{ V}$ duy nhất (chỉnh lưu trực tiếp từ lưới $220\text{ V}$ AC) và cuộn sơ cấp máy biến áp có số vòng dây ít hơn một nửa so với sơ đồ biến áp có điểm giữa, giúp tối ưu kích thước và chi phí lõi biến áp.
2. Các thông số tính toán cuộn dây và lõi máy biến áp xung ETD39 trong đồ án được xác định như thế nào?
Máy biến áp xung được thiết kế với công suất định mức $P_O = 100\text{ W}$, tần số làm việc $f = 28\text{ kHz}$, mật độ từ cảm cực đại chọn $B_{max} = 1500\text{ Gauss}$ ($0{,}15\text{ T}$). Diện tích mặt cắt hiệu dụng của lõi Ferit ETD39 là $A_E = 125\text{ mm}^2$. Điện áp ngõ vào một chiều là $V_{in} = 310\text{ V}$, ngõ ra yêu cầu $V_{out} = 1000\text{ V}$ để kích hoạt biến tử áp điện. Kết quả tính toán giải tích xác định số vòng dây sơ cấp là $N_1 = 148$ vòng, số vòng dây thứ cấp là $N_2 = 480$ vòng. Dây quấn phía sơ cấp có đường kính $0{,}3\text{ mm}$ tương ứng mật độ dòng điện cho phép $J \approx 6\text{ A/mm}^2$.
3. Mạch deadtime có vai trò gì và các linh kiện được tính toán ra sao để đạt khoảng trễ 1 µs?
Mạch deadtime có chức năng đảm bảo trước khi một IGBT trong cùng một nhánh chuyển từ trạng thái ngắt sang dẫn thì IGBT còn lại phải ngắt hoàn toàn, chống hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch trực tiếp nguồn $310\text{ V}$. Nhóm tác giả dùng IC cổng NOT Schmitt-trigger 74HC14 kết hợp diode 1N4148 ($R_D = 50\ \Omega$), tụ điện $C_3 = C_4 = 1\text{ nF}$ và điện trở $R_3 = R_4 = 270\ \Omega$. Nhờ sự chênh lệch thời hằng giữa quá trình nạp ($\tau_1 \approx R_D \cdot C$) và xả ($\tau_2 \approx R \cdot C$), mạch đã tạo ra thời gian trễ $T_{deadtime} = T_{xả} - T_{nạp} = 1\ \mu\text{s}$.
4. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn biến tử áp điện thay vì biến tử từ giảo?
Biến tử từ giảo hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất từ học của vật liệu sắt từ, thường có kích thước cồng kềnh, tiêu tốn nhiều năng lượng và chỉ thích hợp cho các thiết bị công nghiệp công suất rất lớn ở dải tần số thấp. Ngược lại, biến tử áp điện làm từ vật liệu gốm áp điện (PZT) có kích thước nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi điện - cơ cao ở vùng tần số siêu âm cao (20 - 60 kHz), cấu tạo đơn giản và rất phù hợp với các thiết bị gia dụng có công suất dưới vài trăm Watt như máy rửa thực phẩm 100W của đề tài.
5. Cơ chế tẩy sạch chất bẩn của hiện tượng xâm thực khí được đồ án giải thích như thế nào?
Khi sóng siêu âm truyền vào nước, các dao động cơ học cao tần làm xuất hiện các vùng nén và dãn liên tục, kích thích các hạt khí chuyển động hỗn loạn và hợp nhất thành các bọt khí lớn hơn. Khi chênh lệch áp suất đạt ngưỡng tới hạn, bọt khí vỡ tung tạo ra sóng xung kích cục bộ với sức va đập rất mạnh, đi kèm nhiệt độ và áp suất tăng đột biến trong phạm vi vi mô. Lực va đập này thâm nhập sâu vào các ngóc ngách, khe hở trên bề mặt thực phẩm, bóc tách và phân rã các mảng bám bẩn, dư lượng hóa chất và vi khuẩn ra khỏi bề mặt cần làm sạch.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy rửa thực phẩm dùng sóng siêu âm cho hộ gia đình" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán nội địa hóa thiết bị làm sạch siêu âm công suất 100W ở tần số 28 kHz. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết âm học xâm thực khí, kỹ thuật biến đổi nghịch lưu cầu H dùng IGBT và khả năng điều chế xung PWM linh hoạt của vi điều khiển PIC 16F877A. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc tạo ra thiết bị gia dụng hữu ích, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu hoàn thiện cơ chế tự động bám tần số cộng hưởng và tích hợp công nghệ khử khuẩn đa tầng trong tương lai.