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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và thể hiện trong đề tài là của riêng tôi, không sao chép các đề tài khác, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra. Thái nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển vì sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của thầy trong suốt quá trình em thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Minh vì những chỉ bảo của thầy đối với những vấn đề kỹ thuật mà em gặp phải. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa điện, trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, những Nhà giáo đã truyền dạy cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện và động viên tôi hoàn thành đề tài này. Do thời gian hoàn thành đề tài có hạn, nên khó tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong được sự động viên và đóng góp ý kiên của các thầy cô giáo. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC 4 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 5 Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa…… 6 Hình 1.4: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu ……………………………….7 Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)……………………………… 8 Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM ………………………………… …9 Hình 1.7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang………10 Hình 1.7b: Điều chế đối xứng …………………………………………………… 10 Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng …………………………………………… 11 Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc ……… 11 Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy …. …………………………………………………… 12 Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8………………………………………….… 16 Hình 1.11: Sơ đồ khối Atmega8……………………………………………… ….18 Hình 1.12: Cấu trúc bộ nhớ AVR………………………………………………….19 Hình 1.13: Timer/Counter1……………………………………………………… 22 Hình 1.14: Thanh ghi TCCR1A ……………………………………………… 23 Hình 1.15: Thanh ghi TCCR1B 23 Hình 1.16: Thanh ghi OCR1A 24 Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B 24 Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK 24 Hình 1.19: Thanh ghi TIFR 25 Hình 1.20: Ví dụ về tín hiệu PWM……………………………………………… 26 Hình 1.21: Các mốc giá trị của T/C1………………………………………………26 Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM……………………………………… 27 Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B…………………………………… 27 Hình 1.24: Fast PMW mode 14…… …………………………………………… 28 Hình 1.25: Cấu trúc thanh ghi SREG 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Hình 1.26: Cấu trúc thanh ghi ADMUX………………………………………… 31 Hình 1.27: Cấu trúc thanh ghi ADCSRA………………………………… …… 32 Hình 1.28: Cấu trúc thanh ghi ADCH…………………… ………………………34 Hình 1.29: Cấu trúc thanh ghi ADCL…… …………………………………… 34 Hình 1.30: Cấu trúc thanh ghi ADCSRB 34 Hình 2.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK…………………………… 38 Hình 2.2: Hình ảnh và sơ đồ chân LM7805+LM7812 ………………………… 39 Hình 2.3: Mạch LM7805 tạo ra 5v…………………………………………….… 39 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn……………………………………… ….39 Hình 2.5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại) 40 Hình 2.6: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ 41 Hình 2.7: Mạch phản hồi điện áp 41 Hình 2.8: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ 42 Hình 2.9: Mạch bảo vệ quá tải 43 Hình 2.10: Các đèn led 44 Hình 2.11: Hệ thống còi báo hiệu 44 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ………………………………………………….45 Hình 2.13: Mạch in ……………………………………………………………… 46 Hình 2.14: Sơ đồ khối về tín hiệu vào, ra…………………………………… … 46 Hình 2.15: Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển………………………………… 47 Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán chương trình chính………………………………….48 Hình 2.17.Sơ đồ thuật toán khối bảo vệ quá dòng điện trên tải………………… 49 Hình 2.18: Chương trình ngắt của Timer1…………………………………………49 Hình 2.19: Chương trình ngắt của Timer0…………………………………………49 Hình 2.20: Chương trình ngắt ADC……………………………………………… 50 Hình 2.21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện…………………………………………51 Hình 2.22: IC Atmega8 và chân đế……………………………………………… 51 Hình 2.23: IC khuếch đại thuật toán LM393N…………………………………….51 Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet công suất IRF3205………………………………… 52 Hình 2.25: Tranzitor 2SC2383 và 2SA1013…………………………………… 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v Hình 2.26: Đi ốt chỉnh lưu và đi ốt ổn áp………………………………………… 52 Hình 2.27: Hình ảnh về tụ điện…………………………………………………….52 Hình 2.28: Hình ảnh về Jắc cắm trong mạch………………………………………53 Hình 2.29: Hình ảnh rơ le 5 chân………………………………………………… 53 Hình 2.30: Điện trở……………………………………………………………… 53 Hình 2.31: Quạt làm mát………………………………………………………… 53 Hình 2.32a: Phía dưới của mạch điện…………………………………………… 54 Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện………………………………………………54 Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện………………………… 55 Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………55 Hình 2.35: Tôn silic làm biến áp công suất……………………………………… 55 Hình 2.36: Khung của biến áp…………………………………………………… 56 Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất……………………………………….56 Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng……………………………………………………….57 Hình 3.2: Đòng hồ đo R,L,C 58 Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59 Hình 3.4: Kết nối mạch lưc…………….……… 59 Hình 3.5: Điện áp ra trên tải là 220V………………………………………………60 Hình 3.6. Dạng sóng của dòng điện trên tải……………………………………… 60 Hình 3.7: Dạng sóng của điện áp ra khi không tải……………………………… 61 Hình 3.8: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là bóng đèn sợi đốt công suất 300W…… 61 Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.8……………………………… 62 Hình 3.10: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 bóng đèn tuýp…………………… 62 Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.10…………………………… 63 Hình 3.12: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện………………………… 63 Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.12…………………………… 64 Hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ, dạng sóng của hình 3.12…………………………64 Hình 3.15: Chụp BBĐ từ trên xuống………………………………………………65 Hình 3.16: Chụp mặt trước của BBĐ………………………………………………65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi MỤC LỤC Trang Mở đầu: ………………………………………………………………….………01 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BBĐ… ………… …………………….……….04 1.1. Khái niệm chung về BBĐ…………………………………………… ……….04 1.1.1.Khái niệm…………………………………………………………… …… 04 1.1.2.Phân loại và công dụng ….…….…………………………………… …… 04 1.1.3.Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối………………………………….…….….04 1.1.4.Nguyên lý làm việc cơ bản của BBĐ……………………………………… 05 1.2. Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ………………………….….….05 1.2.1.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu……………………………….…….… 05 1.2.1.1. Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu dòng một pha ………………… …05 1.2.1.2.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu 1 pha có điểm giữa……………….…06 1.2.1.3.Nguyên lý nghịch lưu 1 pha dạng cầu………………………………….….07 1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu………………………….……07 1.2.1.5.Mạch công suất của bộ nghịch lưu dạng cầu H……………………………11 1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC….…………………….……………11 1.2.2.1.Giới thiệu chung về Ắc quy………………………………….…… …… 11 1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN:4472:93………………………….…………….12 1.3. Giới thiệu về Atmega8………………………………………….… ……… 15 1.3.1.Tổng quan về Atmega8 ……………………………… …….…………….15 1.3.2.Sơ đồ khối của Atmega8……………………………………….…………….18 1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ………………………………………………….………… 19 1.3.4.Timer/Counter trong Atmega8 và cách sử dụng………………….………….20 1.3.4.1.Giới thiệu về Timer/Counter…………………………………….…………20 1.3.4.2.Sử dụng Timer/Counter………………………………………….…………21 1.3.4.3.Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)…………………………………… ….27 1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8……………………………………… 29 1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số trong Atmega8……….……………….30 1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA………………… … 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii 1.3.6.2.Thanh ghi dữ liệu của bộ chuyển đổi ADC – ADCH và ADCL….……… 33 1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRB………………… … 34 1.3.7.Các thanh ghi PORT xuất nhập………………………………………………35 1.3.7.1.Giới thiệu chung…………………… …………………………………….35 1.3.7.2.Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường… ……………….36 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… …………………… 37 2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….………………37 2.1.1.Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ…………………… 37 2.1.2.Thiết kế khối nguồn cho VĐK…………………………….……………… 39 2.1.3.Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)…………………………………….40 2.1.4.Mạch đo điện áp vào…………………………………………………………41 2.1.5.Mạch phản hồi điện áp……………………………………………………….41 2.1.6.Mạch bảo vệ quá nhiệt độ……………………………………………………42 2.1.7.Mạch bảo vệ quá tải………………………………………………………….43 2.1.8.Mạch hiển thị……………………………………………………… …… 44 2.1.9.Lựa chọn biến áp…………………………………………………………… 45 2.1.10.Sơ đồ nguyên lý và mạch in……………………………………………… 45 2.1.10.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện………………………………………………45 2.1.10.2.Mạch in sau khi thiết kế………………………………… …………… 46 2.2.Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………46 2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra…………………………………… …………… 46 2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khển…………………………………………47 2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển…………………………………………………48 2.2.4.Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải…………… 49 2.2.5.Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC…………………………………49 2.3.Chế tạo BBĐ…………………………………………………… …………….50 2.3.1.Công tác chuẩn bị…………………………………………………………….50 2.3.2.Lắp ráp mạch điện……………………………………………………………50 2.3.3.Chế tạo biến áp BBĐ… ………………………………………………….…55 2.3.3.1.Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………… 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii 2.3.3.2.Biến áp công suất………………………………………………………… 55 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BBĐ………………………………… 57 3.1.Thiết bị kiểm tra……………………………………………………………… 57 3.1.1. Đồng hồ vạn năng………………………………………………………… 57 3.1.2.Đồng hồ đo R,L,C……………………………………………………………58 3.1.3.Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59 3.2.Kết quả thực nghiệm 59 3.3.Hướng phát triển 66 Tài liệu tham khảo 67 [...]... này có giá thành khá cao, đặc biệt là các linh kiện thay thế khi sửa chữa thì không thông dụng tại thị trường Việt Nam Ví dụ Hồ điện, Power… Với nhu cầu cao của thị trường về bộ BBĐ để giải quyết tình huống mất điện lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lƣợng cao là hết sức cần thiết 2 Mục đích nghiên cứu Hiện nay, trên thị... - PortB và PortD có thể dùng làm ngõ vào/ra - PortC nhận vào tín hiệu Analog và chuyển đổi thành tín hiệu Digital Ngoài ra còn dùng làm ngõ vào/ra - Reset: Lối vào đặt lại Bộ VĐK sẽ được đặt lại khi chân này ở chế độ thấp - Xtal1, Xtal2: lần lượt là lối vào và lối ra của bộ khuếch đại đảo bộ khuếch đại này được bố trí để làm bộ tạo dao động trên chip (có thể sử dụng thạnh anh) Để điều khiển bộ VĐK từ... BBĐ - Chương 2: Thiết kế và chế tạo BBĐ - Chương 3: Khảo sát chất lượng BBĐ - Kết luận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC 1.1.Khái niệm chung về BBĐ 1.1.1.Khái niệm BBĐ có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với tần số là tùy ý (còn gọi là bộ nghịch lưu) 1.1.2.Phân loại và công dụng a Phân... hóa đề tài với đề cương nghiên cứu đã soạn thì bắt tay vào thu thập dữ kiện dùng làm những chất liệu hình thành công trình nghiên cứu một cách khoa học - Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo BBĐ và sử dụng các thiết bị đo như máy hiện sóng để kiểm tra chất lượng điện áp ra, sau đó đưa ra các giải pháp hiệu chỉnh đến khi đạt yêu cầu - Phương pháp khảo sát: Khảo sát một số bộ biến đổi có trên thị trường để... hợp và điều khiển: + Tổng hợp tín hiệu như bảo vệ như: Bảo vệ dòng điện, điện áp, nhiệt độ + Điều khiển đóng, mở các van trong bộ nghịch lưu 1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến đổi BBĐ là bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tức là; Khi đưa nguồn một chiều tới đầu vào của bộ nghịch lưu, thì đầu ra của bộ nghịch lưu có điện áp xoay chiều tương ứng, tần số có thể thay đổi được... muốn vận dụng để nghiên cứu, chế tạo ra BBĐ với các linh kiện sẵn có tại Việt Nam, đảm bảo về chất lượng điện áp ra, làm việc ổn định, dễ sử dụng và giá thành phù hợp với thu nhập của người dân Việt Nam 3 Ý nghĩa của đề tài - Ứng dụng của BBĐ dùng trong điện sinh hoạt (không hòa lưới điện) - Ứng dụng trong giảng dạy và học tập 5 Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu - Sau khi lựa chọn và chính xác hóa... Atmega8 có 2 bộ timer 8 bit (Timer/Counter0 và Timer/Counter2) và 1 bộ 16 bit (Timer/Counter1) Chế độ hoạt động và phương pháp điều khiển của từng Timer/Counter cũng không hoàn toàn giống nhau - Timer/Counter0: Là một bộ định thời, đếm đơn giản với 8 bit Gọi là đơn giản vì bộ này chỉ có một chế độ hoạt động (mode) so với 5 chế độ của Timer/Counter1 Chế độ hoạt động của Timer/Counter0 thực chất có thể... trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo) - Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng * Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM), dùng vi điều khiển(VĐK) hay vi xử lý để điều biến. .. loại có điện áp ra chất lượng cao thuần sin[7] Tuy nhiên các sản phẩm được nhập khẩu đều có giá thành rất cao so với thu nhập của người dân Việt Nam Một số công ty của Trung Quốc sản xuất ra bộ biến đổi có chất lượng điện áp ra khá tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là khả năng chịu quá tải thấp, độ bền còn hạn chế - Sản xuất trong nước: Hiện trong nước có một số công ty đã sản xuất và bán sản phẩm... vận dụng chế tạo mạch điện, lựa chọn linh kiện và sử dụng thiết bị đo để khảo sát chất lượng điện áp ra - Phương pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức cơ bản của bản thân để từ đó chọn phương án thực hiện đề tài - Thiết bị vật tư: + Thiết bị: Máy hiện sóng, đồng hồ vạn năng, đồng hồ đo L,C,R, Máy vi tính, các phần mềm ứng dụng + Vật tư: Bàn quấn dây, mạch nạp và các vật . lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lƣợng cao là hết sức cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Hiện nay, trên thị. PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA . CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… …………………… 37 2.1 .Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….………………37 2.1.1 .Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ…………………… 37 2.1.2 .Thiết kế khối