Thiết kế và thi công mạch nghịch lưu đa cấp

Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TPHCM, Ngày Tháng Năm 2010 Chữ ký của giáo viên Tống Thanh Nhân Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TPHCM, Ngày Tháng Năm 2010 Chữ ký của giáo viên Nguyễn Hữu Phƣớc Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 2 1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 2 1.2.GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2 1.3.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2 1.4.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 CHƢƠNG 2 : BỘ NGHỊCH LƢU 4 2.1.BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 4 2.2. BỘ NGHỊCH LƢU ÁP MỘT PHA 5 2.3.BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA 6 2.4.BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC 7 2.5.ĐIỆN ÁP BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA 9 CHƢƠNG 3 : CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA PIC 16F877A 10 3.1. Sơ lƣợc về vi điều khiển PIC16F877A 10 3.2. Sơ lƣợc về các chân của PIC16F877A 11 3.3. Một số đặc điểm đặc biệt của CPU 16 3.4. Tổ chức bộ nhớ 23 3.4.1. Bộ nhớ chƣơng trình 23 3.4.2. Bộ nhớ dữ liệu 24 3.5. Data EEPROM và Flash program memory 34 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu 3.6. I/O Port 35 3.7.Timer 46 3.7.1.Timer0 46 3.7.2. Timer1 48 3.7.3. Timer2 51 3.8. Module CCP 52 3.8.1. Capture 53 3.8.2. Compare 53 3.8.3. PWM 54 3.9. Module MSSP (Master synchronous serial Port) 58 3.10. Bộ biến đổi ADC 60 3.11. Module comparator 66 3.12. Module điện áp tham chiếu so sánh 68 CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN THI CÔNG MẠCH 71 4.1.Sơ đồ khối 71 4.2.Sơ đồ nguyên lý 72 4.3.Nguyên lý hoạt động 73 4.4.Tính toán mạch 84 4.4.1.Khối nguồn 84 4.4.2.Khối xử lý trung tâm 85 4.4.3.Khối giao tiếp 86 4.4.4.Khối đệm 87 4.4.5.Khối công suất 89 4.5. Lƣu đồ giải thuật 90 4.6.Chƣơng trình chính 91 4.7.Kết quả thi công mạch 104 CHƢƠNG 5 : KẾT LẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 109 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu 5.1.Kết luận 109 5.2.Hƣớng phát triển của đề tài 109 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2007-2010) tại trƣờng CĐ KỸ THUẬT CAO THẮNG , qúi thầy cô truyền đạt cho chúng em rất nhiều kiến thức bổ ích đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện tử - Tin học đã truyền đạt cho chúng em rất nhiều kiến thức về chuyên ngành rất cần thiết cho chúng em sau khi ra trƣờng. Đặc biệt là trong thời gian làm đề tài nhóm chúng em đã học hỏi đƣợc rất nhiều kiến thức thực tế từ thầy hƣớng dẫn nên đã hoàn thành đề tài trong thời gian quy định. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn : Quí thầy cô trƣờng CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG đã giảng dạy cho chúng em nhiều kiến thức quí báu. Bộ môn điện tử cùng tất cả quí thầy cô trong khoa Điện tử - Tin học đã giảng dạy những kiến thƣc chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn tất khóa học. Đặc biệt, thầy TỐNG THANH NHÂN – giáo viên hƣớng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho chúng em những lời chỉ dạy qúi báu, Giúp chúng em định hƣớng tốt trong khi thực thi đề tài. Tất cả các bạn đã giúp đỡ và động viên nhóm trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Mai Văn Minh An Lê Trung Hiếu Lớp CĐ ĐT 07A Khoa Điện Tử - Tin học Trƣờng Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TPHCM,Ngày 09 Tháng 07 Năm 2010 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khi mà cả thế giới nhƣ đang nóng lên vì sự vận động, phát triển về mọi mặt nhƣ kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật….v…v Trong đó, những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã và đang làm cho thế giới ngày càng thay đổi, văn minh hơn và hiện đại hơn. Sự phát triển của Kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng lọat những thiết bị với các đặc điểm nổi bật nhƣ sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat động của con ngƣời đạt hiệu quả cao. Là một trong những sinh viên theo học ngành điện tử, bản thân cũng có những mong ƣớc đƣợc góp một phần công sức cho xã hội bằng những việc làm có ý nghĩa thực tế. Từ những kiến thức đã đƣợc truyền đạt sau ba năm theo học tại trƣờng Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, hoà mình vào xu hƣớng chung của thời đại, cùng sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nƣớc, đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế mạch nghịch lƣu đa cấp ” ra đời. Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức và nhận thức công nghệ trong việc tạo ra một sản phẩm có giá trị thực tiễn nên có rất nhiều yêu cầu đƣợc đặt ra cho sự hoàn thiện. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài là một quá trình làm việc nghiêm túc và nỗ lực của bản thân ngƣời thực hiện, cùng sự chỉ dẫn nhiệt tình của giáo viên hƣớng dẫn; song chắc chắn không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Ngƣời thực hiện đề tài rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu cùng những phê bình, chỉ dẫn của Thầy Cô và các bạn sinh viên. Sinh viên thực hiện : Mai Văn Minh An Lê Trung Hiếu Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 2 CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, điện là nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày cũng nhƣ trong các công ty, xí nghiệp,mà đôi khi lƣới điện quốc gia không thể đáp tất cả những nhu cầu đó. Để góp phần đáp ứng đủ nguồn điện cung cấp cho những nhu cầu đó. Cùng với sự phát triển của vi điều khiển em chọn đề tài ”Thiết kế và thi công mạch nghịch lƣu đa cấp”. Hệ thống này có các ƣu điểm nổi bật sau:  Đơn giản, dễ dàng thay đổi nhờ lập trình.  Tin cậy.  Khả năng xử lý nhanh và linh động.  Giá thành tƣơng đối rẻ 1.2.GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. Do giới hạn về thời gian, tài liệu tham khảo và nhiều điều kiện khách quan khác nhau, nên trong đề tài này em chỉ nghiên cứu với nội nhƣ sau:  Tìm hiểu họ vi điều khiển PIC16F877A.  Tìm hiểu C căn bản cho PIC.  Thiết kế và thi công board điều khiển.  Viết chƣơng trình điều khiển dựa trên phần cứng đã và thi công. 1.3.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Giúp em nắm lại những kiến thức đã học, mở rộng kiến thức đã có. Trong quá trình học tập ít va chạm nên khi làm đề tài sẽ giúp cho em va chạm thực tế sẽ bớt bở ngở sau khi ra trƣờng đi làm. Em lựu chọn vi điều khiển PIC với những lí do sau đây:  Tốc độ xử lý lớn hơn so với các bộ xử lý thông thƣờng hoạt động cùng tần số của đồng hồ xung nhịp.  Các bộ xử lý PIC có kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neunam.  Đối với kiến trúc harvard thì có bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chƣơng trình tách rời nhau. Kiến trúc này giúp cho ngƣời viết chƣơng trình dễ kiểm soát, gốp phần tăng tốc độ xử lý trong quá trình chạy chƣơng trình.  Đối với kiến trúc Von-Neanam, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chƣơng trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó có thể tổ chức ,cân đối một cách linh họat bộ nhớ chƣơng trình và bộ nhớ dữ liệu.  Giá thành rẻ. Phổ biến rộng trên thị trƣờng.  Tài liệu tham khảo đọc cũng dễ hiểu. 1.4.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 1.4.1.Các bƣớc tiến hành nghiên cứu :  Chọn đề tài.  Chính xác hóa đề tài.  Soạn đề cƣơng. Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 3  Thu thập tài liệu.  Xử lý tài liệu.  Tiến hành chọn những phƣơng án phù hợp.  Thi công phần cứng.  Viết chƣơng trình.  Xây dựng mô hình.  Kiểm tra và cho chạy thử trên mô hình. 1.4.2. Đối tƣợng nghiên cứu:  Họ vi điều khiển PIC 16F877A.  Lập trình C cho PIC.  Các chƣơng trình hổ trợ trong quá trình làm nhƣ orcad 9.2(vẽ và thi công mạch in),CCS(dùng để viết chƣơng trình). 1.4.3. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phƣơng pháp quan sát và tham khảo tài liệu là chính. Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 4 CHƢƠNG 2 : BỘ NGHỊCH LƢU Bộ nghịch lƣu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lƣợng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lƣợng đƣợc điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Trong trƣờng hợp đầu, bộ nghịch lƣu đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp và trƣờng hợp sau là bộ nghịch lƣu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lƣu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lƣu dòng có tính nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lƣu tƣơng ứng đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp nguồn áp và bộ nghịch lƣu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt la bộ nghịch lƣu áp và bộ nghịch lƣu dòng. Trong trƣờng hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lƣợng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lƣu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lƣu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lƣu dòng nguồn áp. Các bộ nghịch lƣu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng dụng quan trọng và tƣơng đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lƣu đƣợc dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lƣu còn đƣợc dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lƣu còn đƣợc ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thƣờng mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lƣu thƣờng chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trƣờng hợp đặc biệt nhƣ mạch tải cộng hƣởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dƣ ), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó, linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR). 2.1. BỘ NGHỊCH LƢU ÁP Bộ nghịch lƣu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Trong các trƣờng hợp khảo sát dƣới đây ta xét bộ nghịch lƣu áp với quá trình chuyển mạch cƣỡng bức sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản nhƣ acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều đƣợc chỉnh lƣu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lƣu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. [...]... tắc và 4 diode mắc đối song Giản đồ kích đóng các cơng tắc và đồ thị áp tải đƣợc vẽ trên hình 5.1b Bộ nghịch lƣu cũng có thể mắc dƣới dạng mạch tia (hình H5.2) Mạch gồm hai cơng tắc và hai diode mắc đối song với chúng Mạch tải và ngõ ra của bộ nghịch lƣu cách ly qua máy biến áp với cuộn sơ cấp phân chia Phía trong trƣờng hợp khơng sử dụng máy biến áp cách ly phía tải, nguồn điện áp một chiều cần thi t. .. n bộ nghịch lƣu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lƣu (2n+1) bậc Tần số đóng ngắt trong mỗi modul của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng giảm đi nhƣ vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần Cho phép sử dụng linh kiện IGBT điện áp thấp Ngồi dạng mạch gồm các bộ nghịch lƣu áp một pha, mạch nghịch lƣu áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch. .. Điều gì là cần thi t để giải quyết hai trƣờng hợp trên, reset lại hay vẫn để cho nó bị kẹt khơng thốt ra đƣợc ?, đó là mụch đích của mạch watchdog Mạch watchdog thì khơng phải là mới mẽ gì, có rất nhiều microprocessors và microcontrollers đã có mạch watchdog, nhƣng mà nó làm việc ra sao? Bên trong con Pic có một mạch RC, mạch này cung cấp 1 xung Clock độc lập với bất kỳ xung Clock nào cung cấp cho Pic... áp pha- nguồn dc : 0,U,2U, ,5U Vì có khả năng tạo ra 6 mức điện áp pha- nguồn dc nên mạch nghịch lƣu trên hình H5.5a còn gọi là bộ nghịch lƣu 6 bậc Dạng mạch nghịch lƣu áp đa bậc dùng cặp diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần Với bộ nghịch lƣu ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nửa Tuy nhiên với n>3, mức độ chịu gai áp trên các diode... chiều cần thi t kế với nút phân thế ở giữa (hình H5.3), đây là dạng mạch nghịch lƣu áp nửa cầu Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân 2.3 BỘ NGHỊCH LƢU ÁP BA PHA Mai Văn Minh An & Lê Trung Hiếu Trang 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Tống Thanh Nhân Trong thực tế mạch bộ nghịch lƣu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu (hình H5.4a) .Mạch chứa 6 cơng tắc S1,S2 S6 và 6 diode đối... các nguồn dc tạo nên từ hệ thống điện ac Bộ nghịch lƣu đa bậc chứa các cặp diode kèm có một mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp Giả sử nhánh mạch dc gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp Điện áp pha – nguồn dc có thể đạt đƣợc (n+1) giá trị khác nhau và từ đó bộ nghịch lƣu đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp (n+1) bậc Ví dụ chọn mức điện thế... tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn dc (common-mode voltage) (xem dạng điện áp uNO) Bộ nghịch lƣu áp đa bậc đƣợc phát triển để giải quyết các vấn đề gây ra nêu trên của bộ nghịch lƣu áp 2 bậc và thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và cơng suất lớn Ƣu điểm của bộ nghịch lƣu áp đa bậc: cơng suất của bộ nghịch lƣu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên cơng suất tổn hao... Tuy nhiên cũng có một số điểm cần lưu ý như sau: Nếu ngắt xảy ra trước khi lệnh SLEEP được thực thi, lệnh SLEEP sẽ không được thực thi và thay vào đó là lệnh NOP, đồng thời các tác động của lệnh SLEEP cũng sẽ được bỏ qua Nếu ngắt xảy ra trong khi hay sau khi lệnh SLEEP được thực thi, vi điều khiển lập tức được đánh thức từ chế độ sleep, và lệnh SLEEP sẽ được thực thi ngay sau khi vi điều khiển được... các bộ nghịch lƣu áp 3 pha (H5.5c) Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và và tần số đóng ngắt còn 1/3 Mạch cho phép sử dụng các cấu hình nghịch lƣu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lƣu đạt đƣợc sự cân bằng điện áp các nguồn dc, khơng tồn tại dòng cân bằng giữa các module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra Cấu hình nghịch lƣu chứa cặp diode kẹp: (Neutral point Clamped Multilevel Inverter... thể mắc ở dạng hình sao (H5.4b) hoặc tam giác (H5.4c) 2.4 BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC (Multi-level Voltage source Inverter) Các bộ nghịch lƣu vừa đƣợc mơ tả ở phần 5.1.1 và 5.1.2 chứa 2 khóa bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải Chúng đƣợc gọi chung là lọai nghịch lƣu áp 2 bậc (two- level VSI), đƣợc áp dụng rộng rãi trong phạm vi cơng suất vừa và nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ q trình điện áp giữa đầu