THIẾT KẾ THỊ CÔNG BỌ NGHỊCH LƯU TỪ 12VDC-220VAC

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU TỪ 12VDC-220VAC GVHD :Th.S PHẠM THIÊN DUY SVTH :TRỊNH HỒNG QUANG MSSV :910474 Lớp :09DD3N Khố :09 TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô khoa Điện - Điện Tử, môn điều khiển tự động Trường Đại Học Tôn Đức Thắng, tạo điều kiện cho sinh viên chúng em thực tốt đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp điều kiện để chúng em thực hành kiểm tra lại kiến thức học, ứng dụng thực tế mạch điện tử sống Từ hiểu biết sâu nghành điện tử phát triển nó, bổ sung kiến thức bổ ích hổ trợ tốt cho việc học tập ứng dụng đời sống thực tế Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Thiên Duy hướng dẫn em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp, giúp em hiểu sâu kiến thức cần thiết để thực đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực Trịnh Hồng Quang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU 1.1 Tìm hiểu nghịch lưu: 1.2 Các nguyên lý chuyển đổi mạch: 1.2.1 Fly-back : 1.2.2 Half-Brigde : 1.2.3 Full-Brigde : 1.2.4 Forward : 1.3 Phương thức thực hiện: 11 1.4 Sơ đồ khối : 12 1.5 Mạch nghịch lưu nâng áp từ 12vdc-310vdc 13 1.6 Vấn đề khó khăn : 14 CHƯƠNG II : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SPWM 15 2.1 Tìm hiểu PWM : 15 2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung : 16 2.2.1 Nguyên lý điều chế xung đơn cực : 16 2.2.2 Nguyên lý điều chế xung lưỡng cực : 17 PHẦN II THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 20 CHƯƠNG I : TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN 21 1.1 IC SG3525: 21 1.2 IC CD4027 : 25 1.3 IC IR2113 : 26 SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY 1.4 ATMEGA8 27 CHƯƠNG II : BIẾN ÁP XUNG 39 2.1 Nguyên lí hoạt động biến áp xung: 39 2.2 Phân loại biến áp xung: 40 2.3 Tính tốn biến áp xung : 41 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH 44 3.1 Thiết kế : 44 3.2 Sơ đồ mạch: 45 3.3 Thi công : 48 3.4 Tính tốn thiết kế thơng số biến áp xung 50 3.5 Sơ đồ khối nghịch lưu 55 3.6 Nguyên lý hoạt động 57 3.7 Chương trình: 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64 SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY LỜI MỞ ĐẦU Con người ln tìm tịi phát minh góp phần nâng cao suất lao động tăng cường tiện nghi sống Cùng với tiến khoa học công nghệ, đáng ý phát minh vĩ đại lĩnh vực điện-điện tử, thật cần thiết cho sống Các thiết bị điện tử ứng dụng ngày rộng rãi phổ biến sống mang lại hiệu cao lĩnh vực kinh tế kỹ thuật đời sống xã hội Những thiết bị điện tử sử dụng cách rộng rãi đời sống.Nó góp phần vô quan trọng phát triển kinh tế toàn cầu Trong nhiều ứng dụng đó, có phát triển ứng dụng nghịch lưu Bộ nghịch lưu ứng dụng quan trọng tương đối rộng rãi vào lĩnh vực truyền động điện động xoay chiều với độ xác cao Các lĩnh vực pin lượng mặt trời Trong lĩnh vực tần số cao, nghịch lưu dùng thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần; nghịch lưu dùng làm nguồn điện cho sử dụng gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng Với đồ án tốt nghiệp này, nghiên cứu phần ứng dụng nghịch lưu thiết kế thi công nghịch lưu từ 12VDC-220VAC SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN BỘ NGHỊCH LƯU 1.1 Tìm hiểu nghịch lưu:           "Inverter" dịch tiếng Việt "bộ nghịch lưu", thật "bộ biến tần" khác với "bộ nghịch lưu" biến tần gián tiếp gồm có chỉnh lưu nghịch lưu Chỉnh lưu: chuyển AC (f = 50Hz) -> DC Nghịch lưu: chuyển DC -> AC (f thay đổi được) Bộ nghịch lưu phần biến tần Bộ nghịch lưu thiết bị biến đổi DC-AC, chuyển đổi điện áp nguồn chiều không đổi cho trước thành điện áp xoay chiều với biên độ pha theo yêu cầu sử dụng, cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng điều khiển ngõ điện áp dòng điện Trong trường hợp đầu điều khiển ngõ theo điện áp nghịch lưu gọi nghịch lưu áp trường hợp điều khiển ngõ theo dòng điện gọi nghịch lưu dịng Trong trường hợp nguồn điện đầu vào đại lượng ngỏ khơng giống nhau; ví dụ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp chiều ta gọi chúng nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp chiều nghịch lưu dòng nguồn áp Các nghịch lưu tạo thành phận chủ yếu biến tần Bộ nghịch lưu ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng(ví dụ động khơng đồng bộ, lị cảm ứng), dịng điện qua linh kiện khơng thể ngắt q trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để điều khiển điều khiển q trình ngắt dịng điện Chức mạch nghịch lưu biến đổi điện áp vào DC thành điện áp DC xác định , ổn định trì điện áp khơng đổi tầm rộng điều kiện điện áp vào dòng tải SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.2 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Các nguyên lý chuyển đổi mạch: 1.2.1 Fly-back :  Các biến đổi kiểu Flyback sử dụng rộng rãi hệ thống sử dụng nguồn pin acqui, có nguồn điện áp vào để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp(+5V,+12V,-12V) với hiệu suất chuyển đổi cao  Đặc điểm quan trọng biến đổi Flyback pha ( cực tính ) biến áp xung biểu diễn dấu chấm cuộn sơ cấp thứ cấp Khi công tắc đóng (ON),điện áp vào làm dịng điện qua cuộn sơ cấp tăng dần.Chú ý cực tính điện áp cuộn sơ cấp chiều âm nơi có điểm chấm sinh điện áp cực tính cuộn thứ cấp.( độ lớn định tỉ lệ số vòng dây sơ cấp – thứ cấp)  Điện áp cuộn thứ cấp khoá diode chặn dịng qua cuộn thứ cấp thời gian cơng tắc đóng Trong khoảng thời gian này,dịng tải cấp tụ điện phóng theo chiều hình Khi cơng tắc ngắt, dòng điện giảm dần cuộn thứ cấp đảo chiều điện áp cuộn thứ cấp, mở diode cấp dòng qua tải nạp cho tụ điện Bộ biến đổi Flyback hoạt động hai chế độ liên tục (dịng qua cuộn thứ cấp ln >0) chế độ gián đoạn (dòng thứ cấp trở chu kì) SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  Ưu điểm :  Tạo nhiều cấp điện áp ra, ưu điểm lớn kiểu Flyback khả cung cấp nhiều cấp điện áp  Giảm dòng qua transistor cơng suất  Nhược điểm:  Dịng san đỉnh tương đương transistor cao  Vì giá thành cho transistor cao 1.2.2 Half-Brigde : Half-Brigde dùng transitor biến đổi cho ứng dụng off line trasistor T1 T2 dẫn ngược pha Các thiết bị chuyển mạch T1 T2 dạng chân cầu, với nửa cịn lại hình thành tụ C3 C4 Do đó, gọi half-brigde Hiệu suất cao khoảng 90% Biến áp khơng sử dụng đầu loại trừ cân từ thông Kết loại converter dùng để thiết kế nguồn với cơng suất lên đến 1000W SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1.2.3 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Full-Brigde : Full-Brigde dùng transitor – cho cơng suất đầu cao tất loại nguồn kể Các transistor T1 T4 dẫn luân phiên với T2 T3 Mỗi đôi dẫn thời gian DT chu kỳ làm việc SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.4 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Tính tốn thiết kế thơng số biến áp xung  Yêu cầu thiết kế:  Công suất ngõ ra: Pout= 100W  Điện áp ngõ : Vout=310vdc  Tần số SG3525 tạo : f=33Khz  Chọn Bmax =1200  Giả sử hiệu suất đạt 70%  Nguồn accu có điện áp từ 10,5vdc-13.5vdc  Để quấn biến áp xung ta xác định công suất nguồn,rồi từ suy số vịng dây sơ cấp  Công suất ngõ vào : Pin=Pout/eff=100W/0.7=142,8W chọn 143W  Dòng điện :  Cuộn sơ cấp :  Cuộn thứ cấp :  Ta dựa vào bảng thông số để xác định tiết diện lõi  Biến áp có cơng suất 100W→150W chọn lõi EE40  Chọn Ac=1.27( Ac tiết diện lõi) SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 51 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY 52 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  Số vòng dây sơ cấp: Thay số ta có Chọn vịng  Số vịng dây thứ cấp :  Tiết diện dây dẫn :  Tiết diện dây sơ cấp : Ta chọn dòng IBmax để tính tiết diện dây chọn mm  Tiết diện dây thứ cấp: chọn 0.3 mm SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 53 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  Ghi :  Nếu số vịng dây tổng trở cuộn dây lớn,làm dòng I nhỏ, (transistor khơng đạt dịng I mong muốn), dẫn đến cơng suất thứ cấp không đạt Trường hợp phải giảm số vòng dây sơ cấp tăng điện nguồn  Ngược lại số vịng dây sơ cấp q tổng trở cuộn dây nhỏ làm dịng I lớn dẫn đến transistor bị nóng Trường hợp phải tăng số vòng dây sơ cấp giảm điện nguồn SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 54 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.5 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Sơ đồ khối nghịch lưu : 12VDC BIẾN ÁP XUNG CHỈNH LƯU VÀ LỌC BẢO VỆ QUÁ DÒNG 310VDC BỘ TẠO DAO ĐỘNG SĨNG VNG BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP NGÕ RA VĐK+PWM LỌC 220VAC SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG BẢO VỆ QUÁ ÁP 55 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  Khối chỉnh lưu cầu: Dùng để biến đổi điện xoay chiều từ biến xung thành điện chiều làm phẳng điện áp hay dòng điện chiều ngỏ chỉnh lưu  Dao động sóng: Dùng để biến đổi điện áp DC thành điện áp AC tần số cao thông qua vi điều khiển  Biến áp xung: Dùng để cảm ứng điện áp DC sơ cấp sang thứ cấp theo tỉ số dòng dây cuộn sơ cấp cuộn dây thứ cấp  Chỉnh lưu lọc: Chỉnh lưu điện áp xoay chiều tần số cao điện áp chiều lọc phẳng để tạo mức điện áp cần thiết ngõ  Khối bảo vệ dòng: Dùng để tắt dao động có tượng dòng  Khối bảo vệ áp: Dùng để tắt dao động có tượng áp SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 56 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.6 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Nguyên lý hoạt động  Khi cung cấp nguồn điện DC vào, nguồn điện vào qua biến áp xung điện áp cấp cho IC SG3525.IC SG3525 tạo dao động làm cho mosfet dẫn tạo điện cảm ứng qua cuộn thứ cấp biến áp xung tạo mức điện áp cao 310VDC Nhờ điều chỉnh điện áp kết nối chân số IC làm cho điện áp ổn định mức cho phép  IC SG3525 IC điều khiển độ rộng xung Nguyên lý điều rộng xung giải thích sau:  Chân số cung cấp điện áp VREF = 5V  Chân số đưa điện áp dò sai lấy từ Vout  Chân số áp vào điện để khống chế thời gian Dead –Times  Điện áp ngõ phản hồi so sánh với điện áp chuẩn Nếu có sai lệch tín hiệu ngõ khuếch đại sai lệch điều khiển độ rộng xung ngõ chân 11 chân 14 IC SG3525 Tín hiệu ngõ chân phản hồi kích cho mosfet dẫn hay ngắt để điều khiển thời gian Ton mosfet  Mạch bảo vệ dòng áp: Bảo vệ q dịng: Vì lý mà dòng điện ngõ tăng lên đột ngột (cao dòng điện định mức ) Dòng qua điện trở 0.1Ω2W, qua IC LM393, thông qua tạo dao động sóng vng reset mức cao, khơng có dao động ngõ Mạch tự cúp lại không hoạt động  Bảo vệ áp: Vì lý điện áp ngõ tăng cao giá tri định mức.Thì vi điều khiển điều động xung làm ổn định dao động tải ngõ ra, nhằm làm điện áp ổn định SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 57 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.7 GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Chương trình:  Lưu đồ giải thuật : Ngắt timer Tính hệ số định dạng cho hình sin Nạp giá trị vào Flag đảo=1 NO YES Tạo xung điều động OC1A OC1B=0 Tạo xung điều động ngõ OC1B OC1B=0 Đếm số xung SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 58 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY Đếm số xung Xung==11 NO Flag đảo=0 YES Thoát ngắt SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 59 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  Chương trình : KHAI BAO CAC THU VIEN DUOC SU DUNG **************************************************************** *****/ #include #include #include /**************************************************************** ***** DINH NGHIA VA KHAI BAO CAC BIEN **************************************************************** *****/ #define top 640//640 bit flag_half=0,flag_ok=0,flag_dao=1; unsigned char count_pulse=0; unsigned int VALUE_OCR1A=0; unsigned char global_array[120]={ 0,2,4,6,8,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,37,40,42,44,46,48 ,50,52,54,56,57,59,61,63,65,67,69,71,73,75,76,78,80,82,84,86,87,89 ,91,92,94,96,98,99,101,102,104,106,107,109,110,112,113,115,116,118 ,119,120,122,123,124,126,127,128,130,131,132,133,134,135,137,138,139 ,140,141,142,143,144,145,145,146,147,148,149,149,150,151,152,152,153 ,154,154,155,155,156,156,157,157,157,158,158,158,159,159,159,159,160 ,160,160,160,160,160 }; /**************************************************************** ***** NGAT XAY RA KHI TRAN TIMER **************************************************************** *****/ interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) { SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 60 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY if (flag_dao) { OCR1A=VALUE_OCR1A; OCR1B=0; } else { OCR1B=VALUE_OCR1A; OCR1A=0; } #asm ST -Y,R0 ST -Y,R1 ST -Y,R26 ST -Y,R27 ST -Y,R30 ST -Y,R31 IN R30,SREG ST -Y,R30 MOV R30,R5 LDI R31,0 SUBI R30,LOW(-_global_array) SBCI R31,HIGH(-_global_array) LD R30,Z MOVW R26,R6 LDI R31,0 MUL R31,R26 MOV R31,R0 MUL R30,R27 ADD R31,R0 MUL R30,R26 MOV R30,R0 ADD R31,R1 LSR R31 ROR R30 SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 61 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY LSR R31 ROR R30 LSR R31 ROR R30 MOVW R12,R30 LD R30,Y+ OUT SREG,R30 LD R31,Y+ LD R30,Y+ LD R27,Y+ LD R26,Y+ LD R1,Y+ LD R0,Y+ #endasm if (flag_half) { count_pulse++; if (count_pulse>=119) flag_half=0; } else { count_pulse ; if (count_pulse==0) { flag_half=1; flag_dao=~flag_dao; }; } } /**************************************************************** ***** CHUONG TRINH CHINH **************************************************************** *****/ void main(void) SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 62 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY { //khai bao Port nhap xuat DDRB.1=1;//1; //thiet lap OC1A la ngo PORTB.1=1;//0; //thiet lap dien tro keo len cho OC1A DDRB.2=1;//1; //thiet lap OC1B la ngo PORTB.2=1;//0; //thiet lap dien tro keo len cho OC1B DDRD=0xff; PORTD=0x00; //thiet lap timer 1, che Fast PWM TCCR1A=0xAE; //0b10xxxxxx-> clear OC1A on Compare Match, set OC1A at TOP, //0bxx11xxxx-> set OC1B on Compare Match, clear OC1B at TOP, //0bxxxx11xx-> FOC1A, FOC1B : MAC DINH //0bxxxxxx10-> WGM11, WGM10 TCCR1B=0x19; //0b000xxxxx-> BIT7, BIT6, BIT5 ko su dung //0bxxx11xxx-> WGM12, WGM13 //0bxxxxx001-> chon nguon clock = clk/1 ICR1=top; //thiet lap gia tri TOP OCR1A=0; //gia tri khoi tao dieu rong xung thiet lap bang OCR1B=0; TIMSK=0x04; //cho phep ngat tran Timer #asm("sei") while (1) { }; } /**************************************************************** KET THUC CHUONG TRINH SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 63 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI  Kết luận :  Đề tài “ Thiết kế thi công nghịch lưu từ 12VDC-220VAC ” hoàn thành phần thiết kế  Hoạt động hệ thống gần với yêu cầu đề tài đặt  Tuy nhiên chưa đạt u cầu xác đề tài, khơng đạt yêu cầu sóng sin 50Hz chuẩn  Hướng phát triển đề tài :  Có thể nâng cơng suất nguồn lên cao 100W  Cần thiết kế thêm sạc điện cho bình  Hồn thiện để có dạng sóng sin 50Hz chuẩn SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 64 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THIÊN DUY  TÀI LIỆU THAM KHẢO       Switching Power Supply Design (Second Edition) by Abraham L Pressman Transformer-and-Inductor-Design-Handbook Designing Magnetic Components For High Frequency Dc-Dc Converters Transformer and Inductor Design Sách điện tử công suất- Nguyễn Văn Nhờ Một số trang web : www.mag-inc.com, www.sieuxeviet.com, www.diendandientu.net  Datasheet IC SG3525,CD 4027, LM393, IR 2113… SVTH:TRỊNH HỒNG QUANG 65