Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi dc ac chất lượng cao

-1- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ MINH THƢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC – AC CHẤT LƯỢNG CAO CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Xuân Minh PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC Thái Nguyên – 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -2- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong nghiệp cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, ngành điện đóng vai trị quan trọng Nếu khơng có điện, mặt đời sống xã hội bị đình trệ Với nhu cầu sử dụng điện ngày tăng mà nguồn cung cấp điện từ thủy điện nhiệt điện hạn chế, điện từ sức gió lại áp dụng theo vùng, miền có quy mơ nhỏ, dự án điện hạt nhân phải đến năm 2020 vào hoạt động nguy thiếu điện xảy Mặt khác đường truyền dẫn lưới điện, kỹ thuật thiên tai nên việc xảy cố điện cục điều không tránh khỏi Để khắc phục cố người ta phải tính đến nguồn điện dự phòng như: Máy phát điện sử dụng biến đổi DC-AC Tuy nhiên thiết bị lại có ưu nhược điểm khác Hiện gặp nhiều biến đổi DC-AC Trong kỹ thuật có biến đổi điện áp chất lượng cao dùng phịng thí nghiệm, trạm viễn thơng, quân cung cấp cho thiết bị chuyên dụng khác Trong dân dụng thường gặp lưu điện dùng cho máy vi tính, hay đèn tích điện sử dụng cố điện lưới Với khó khăn giá thành sản phẩm linh kiện thay làm nhà nghiên cứu nước tiến hành nghiên cứu sản phẩm có giá thành rẻ, dễ thay Nhưng đa phần thiết kế chưa thành công Mục tiêu nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -3- Nghiên cứu thiết kế chế tạo biến đổi DC-AC chất lượng cao công suất từ 400-500W, đánh giá chất lượng biến đổi thơng qua đặc tính thực nghiệm Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chƣơng 1: Tổng quan biến đổi điện áp DC - AC Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm biến đổi DC - AC Chƣơng 4: Xác định đặc tính thiết bị thực nghiệm Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -4- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-AC 1.1 ., m biến đổi thành phải 1.2 Các biến đổi điện Các Các điện áp thông dụng nay: + AC – AC + AC – DC + Bộ biến đổi DC – AC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -5- + – DC - – AC: B ) – DC - ) ) – - – - ) trên, thiết bị biến đổi tổ hợp từ số sơ đồ loại biến đổi Một thiết bị phổ biến nhóm thiết bị nêu thiết bị biến đổi tần số, thường gọi biến Các hay biến tần theo trình biến đổi lượng điện chia làm hai nhóm: Bộ biến đổi tần số trực tiếp biến đổi tần số gián tiếp có khâu trung gian chiều (xoay chiều - xoay chiều): Ở biến đổi này, lượng điện xoay chiều có tần số f1 qua khâu biến đổi trở thành lượng điện xoay chiều tần số f2 khác f1 có khả điều chỉnh theo yêu cầu phạm vi Cấu trúc thiết bị việc ghép song song ngược sơ đồ chỉnh lưu (xoay chiều - chiều - xoay chiều), thiết bị mà lượng điện xoay chiều nguồn có có tần số f1 trước tiên biến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -6- đổi thành lượng điện chiều, biến đổi thứ sơ đồ chỉnh lưu (có khơng điều khiển), lượng điện chiều biến đổi thành lượng điện xoay chiều tần số f2 khác f1 qua khâu biến đổi thứ hai thường sơ đồ nghịch lưu 1.3 Bộ biến đổi DC – AC (nghịch lƣu) 1.3.1 Tổng quan nghịch lƣu Nghịch lưu trình biến đổi lượng điện chiều thành lượng điện xoay chiều với điện áp (hoặc dòng điện) tần số , dùng để cung cấp cho tải xoay chiều Phân loại nghịch lƣu: Phân loại theo dụng cụ bán dẫn công suất sử dụng: - Nghịch lưu dùng dụng cụ điều khiển khơng hồn tồn thyristor, triac… - Nghịch lưu dùng dụng cụ điều khiển hoàn toàn transistor, GTO … Phân loại theo tính chất nguồn cung cấp đặc tính tải: - Nghịch lưu điện áp - Nghịch lưu dòng điện - Nghịch lưu cộng hưởng Phân loại theo số pha điện áp dòng điện đầu ra: - Nghịch lưu pha - Nghịch lưu ba pha Phân loại theo thiết bị chuyển mạch van: Phân loại theo thiết bị chuyển mạch van có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào sơ đồ dụng cụ sử dụng để khóa van ứng dụng với mạch nghịch lưu dùng dụng cụ chuyển mạch khơng hồn tồn Với nghịch lưu dùng thyristor để chuyển mạch (khóa) van cần phải có thiết bị tương tự việc khóa van BBĐ chiều - chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -7- Sơ đồ mạch điện phần tử dùng để chuyển mạch thyristor đa dạng sử dụng để phân loại nghịch lưu nhóm 1.3 pha – - AC trư DC – AC : Nghịch lưu điện áp pha thực - nhiều sơ đồ khác Sau sử dụng sơ đồ nghịch lưu cầu pha sơ đồ phổ biến để xét nguyên tắc tạo điện áp xoay chiều pha tải nguồn cung cấp cho BBĐ chiều 1.3 Thyristor a Sơ đồ mạch lực nghịch lưu (còn thiếu thiết bị chuyển mạch) + D11 Ud C0 T1 A it D33 T3 ut B Zt D44 _ T4 T2 D22 Hình 1.1: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu áp pha dạng cầu (thiếu thiết bị chuyển mạch) Nguyên tắc khống chế: Để tạo điện áp xoay chiều tải Zt phải thực khống chế thyristor BBĐ làm việc theo quy luật sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -8- - Trong khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ dương điện áp tải, thực khống chế mở hai van T1, T2 khố hai van T3, T4 Khi điện áp tải (cũng điện áp điểm A B) là: ut = Ud - Trong khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ âm điện áp tải, thực khống chế mở hai van T3, T4 khố hai van T1, T2 Khi điện áp tải là: ut = –Ud Với việc khống chế làm việc van theo quy luật lặp lặp lại với chu kỳ chu kỳ điện áp yêu cầu, kết nhận điện áp tải điện áp xoay chiều có dạng hình chữ nhật (cịn gọi dạng sin chữ nhật) Đồ thị điện áp tải cho van làm việc theo quy luật minh hoạ hình 1.2 Hình 1.2: Đồ thị điện áp sơ đồ hình 1.1 b Sơ đồ nghịch lưu áp pha dạng cầu chuyển mạch phụ thuộc theo nhánh (theo pha) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -9- + Ud C0 D44 T3 T1 D11 * C1 C4 + - L1 * L4 ut Zt T4 L3 it L2 * + - C3 * D33 C2 D22 T2 - Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu áp pha dạng cầu chuyển mạch phụ thuộc theo nhánh (theo pha) Trong sơ đồ phần tử giống sơ đồ hình 1.1 cịn có thêm phần tử chuyển mạch (mạch để khố thyristor chính) Các phần tử thiết bị chuyển mạch gồm: L1, L4, C1, C4 phần tử chuyển mạch van T1 T4; L2, L3, C2, C3 phần tử chuyển mạch van T2 T3 Các điện cảm chuyển mạch có giá trị nhỏ nhau, mặt khác cặp L L4, L2 L3 có liên hệ hỗ cảm với (ghép kiểu biến áp) với hệ số liên hệ c Nghịch lưu cầu pha chuyển mạch theo nhóm van, có ốt cắt Trong sơ đồ này, phần tử chuyển mạch dùng để khoá thyristor gồm có C1, L1 (khố nhóm van anơt chung T1, T3) C2, L2 (khố nhóm van Ka tốt chung T2, T4) Ngồi ra, sơ đồ cịn có thêm ốt D1 gọi điốt cắt (ngăn cách) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ D4 -10- + T1 D11 Ud C0 C1 uC1 ut uC2 Zt D4 T4 it D3 D2 - + D44 D33 - + D1 T3 L1 C2 D22 L2 T2 Hình 1.4: Sơ đồ nghịch lưu áp pha dạng cầu chuyển mạch theo nhóm van, có ốt ngăn cách (đi ốt cắt) Transistor Hình 1.5: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu áp pha Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -46- Hình 4.6: Sơ đồ nối điện áp với ổ cắm điện Hình 4.7: Điện áp tải 220V - Dạng sóng điện áp khơng tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -47- Hình 4.8: Dạng sóng điện áp khơng tải - Dạng sóng điện áp ra, tải bóng đèn sợi đốt 300W Hình 4.9: Dạng sóng điện áp tải bóng đèn sợi đốt - Dạng sóng điện áp ra, tải 02 bóng đèn tuýp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -48- Hình 4.10: Dạng sóng điện áp tải bóng đèn tuýp - Dạng sóng tải tải 02 quạt điện (02 x 45W/cái) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -49- Hình 4.11: Dạng sóng điện áp tải quạt điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -50- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ cứng) (thực xây dựng phần thành công công suất 500W 220VAC, 50 Hz Các kết thực nghiệm cho biến đổi làm việc với loại phụ tải điện xoay chiều khác cho thấy điện áp biến đổi gần với hình sin Có thể khẳng định biến đổi cho chất lượng điện áp tốt, hồn tồn ứng dụng vào thực tế, sử dụng biến đổi hệ thống điện pin mặt trời công suất nhỏ, thiết bị lưu điện dùng cho hệ thống máy tính, v.v KIẾN NGHỊ Do hạn chế thời gian, tài chính, trang thiết bị kiến thức nên chất lượng biến đổi bị hạn chế, sản xuất kiểm nghiệm với mức công suất nhỏ Cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao chất lượng biến đổi kiểm nghiệm biến đổi với tiêu khác hiệu suất, giá thành với cấp cơng suất cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -51- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Khánh Hà, Máy điện tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội (1997) [2] Trần Xuân Minh, Nguyễn Như Hiển, Tổng hợp hệ điện cơ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội (2011) [3] Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ, Máy điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội (1992- Biên dịch) [4] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội (2003) [5] Quang NP, Andreas Ditrich, Vector control of three phase AC machines, Springer (2008) [6] Marian P.Kazmierkowski, R.Krishnan, Frede Blaabjerg, Control in Power Electronics – Selected Problems, Oxford Academic Press (2002) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -52- PHỤ LỤC 1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ PHẦN CỨNG BỘ BIẾN ĐỔI DC – AC J3 12v 12v RL8.1 D8.1 Q8.1 2SC2383 DIODE Q8.2 C1.4 C1.5 100n 4700u +88.8 2SC2383 1N4007 +12v Q6.1 QUAT 12V D8.2 2SC2383 1N4007 CONN-H5 D6.1 RL8.2 kRPM R6.1 1k TEXTELL-KBH-12V TR1 R8.1 R8.2 1k 1k Q10.4 Quat TEXTELL-KBH-12V Q12.4 IRF3205 Q10.4 Q12.4 IRF3205 TRAN-2P2S 5v R4.1 +12v 56k KTY81-1XX LS1 R5.2 R4.2 +tc R1.1 R5.1 10k RT4.1 Ph 30k 10u D1.1 10R TAI C5.1 15k SPEAKER Q7.1 R7.1 2SA1013 1N4733A 1K J4 14 15 16 17 18 19 10 PB0/ICP1 U1 PB1/OC1A PB2/SS/OC1B PB3/MOSI/OC2 PB4/MISO PB5/SCK PB6/TOSC1/XTAL1 PB7/TOSC2/XTAL2 CONN-H6 PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RESET U2.1:B RV2.2 5v 20K Qua dong 21 20 ATMEGA8 AREF AVCC PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/T0/XCK PD5/T1 PD6/AIN0 PD7/AIN1 23 24 25 26 27 28 11 12 13 R3.4 5v Quat 12v 12v R12.2 DIODE R11.2 2k2 2k2 1k 330 R11.1 R12.1 12.4 1k BV qua dong Q11.1 2SC2383 2SC2383 2SC2383 U2.1:A Q11.3 Q12.3 Q12.1 R2.1 2SC2383 Q11.4 1k Q12.2 Q11.2 2SA1013 2SA1013 R12.3 LM393 2k2 C2.1 R11.3 2k2 RV3.1 10n 20K RV2.1 R3.1 100K 56k 12v Phan hoi d/ap R3.2 12v R10.2 C3.1 15k R13.2 2k2 2k2 10u Q10.3 Q13.3 2SC2383 R10.1 U1.1 C1.1 CONN-H2 VI C1.2 VI VO 220u 2 2200u Q10.4 2SC2383 Q13.4 1k 5v Q10.2 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái NguyênC1.3 2W04G R13.1 1k 7805 12v VO 2SC2383 Q13.1 Q10.1 2SC2383 U1.2 7812 GND BR1 GND J1 Q11.4 10k RL1 RL2 5V D2.1 Q13.4 10R R2.2 Ph IRF3205 IRF3205 R7.2 LM393 5V Q11.4 Q13.4 Phan hoi d/ap BV qua dong Qua dong 220u http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2SA1013 R10.3 2k2 Q13.2 2SA1013 R13.3 2k2 -53- Chip type PHỤ LỤC 2: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN : ATmega8 Program type : Application AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include #include #define led_1 PORTB.2 #define led_2 PORTB.3 #define led_3 PORTB.4 #define led_4 PORTB.5 #define ADC_VREF_TYPE 0x40 #define FIRST_ADC_INPUT #define LAST_ADC_INPUT bit a; unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1]; unsigned int Vout, Vacquy, Iacquy; unsigned char index=0; unsigned char sin[200]= { 100,103,106,108,111,114,117,120,122,125,128,130,136,138,141,143,146,148,1 51,153,155,157,160,162,164,166,168,169,171,173,174,176,177,179,180,181, 183,184,185,186,186,187,188,188,189,190,190,190,190,190,190,190,189,189,1 88,188,187,186,185,184,183,181,180,179,177,174,173,171,169,168,166,164,16 2, 160,157,155,153,151,148,146,143,141,138,136,133,128,125,122,120,117,114,1 11,108,106,103,100,97,94,89,83,80,78,75,72,70,67,64,62,59, 57,54,52,49,47,45,43,40,38,36,34,32,31,29,27,26,24,23,21,20,19,17,16,15,14,14 ,13,12,12,11,11,10,10,10,10,10,10,10,11,11,12,12,13,14,14, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -54- 15,16,17,19,20,21,23,24,26,27,29,31,32,34,36,38,40,43,45,47,49,52,54,57,59,62 ,64,67,70,72,74,78,80,83,86,89,92,94,97 }, sin_table[200]; long sin_temp, Gain_k; char i; interrupt[TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { a=1; TCNT0=100; } interrupt[TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) { if(index