NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo bộ BIẾN đổi DC – AC CHẤT LƯỢNG CAO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH 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 Thái Nguyên – 2014 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC 1.1.Khái niệm chung về BBĐ 1.1.1.Khái niệm. 1.1.2.Phân loại và công dụng. a. Phân loại b. Công dụng 1.1.3.Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối: a. Sơ đồ khối: b. Nhiệm vụ từng khối 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 theo yêu cầu của phụ tải. 1.2. Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ 1.2.1, Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu. Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà ta thiết kế bộ nghịch lưu là một pha hay ba pha. Trong phạm vi của đề tài ta chỉ nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha. 1.2.1.1. Nghịch lưu dòng một pha: - Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng. Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch điện tương đương của 2 Nghịch lưu nguồn dòng 1 pha tải RL. Dòng i n phẳng, không đổi ở một giá trị tải, được đóng ngắt thành nguồn AC cung cấp cho tải. - Kết luận: Với dòng điện AC trên tải là những xung vuông thì chưa đáp ứng được yêu cầu của đề tài này. 1.2.1.2. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa: - Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.3 - + L1 L2 L3 C U1 MCR12DCMT4 U2 MCR12DCMT4 TAI Ld Hình 1.3 : Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa - Với sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa cho chất lượng điện áp ra chưa đạt yêu cầu của đề tài, nên ta phân tích thêm một số sơ đồ khác để đi đến lựa chọn sơ nào có chất lượng điện áp ra tốt hơn. 1.2.1.3. Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu: - Nguyên lý chung: + + - - S2 S1 S4 S3 D1 D2 D3 D4 C V Tai Vo Hình 1.4 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu 3 1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp a.Dạng sóng sin mô phỏng: Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây. Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE) [3] b, Dạng sóng true sin: Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp. * Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) bằng linh kiện điện tử số: Quy trình này được mô tả trong hình1.6. Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [4] * Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM), dùng vi điều khiển(VĐK) hay vi xử lý để điều biến theo phương pháp điều chế theo mẫu: 4 - Dùng VĐK để tạo sóng sin, thực chất là thay thế sóng sin bằng dạng sóng nấc thang như hình sau: Hình 1.7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang - Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng. Khi điều chế đối xứng, số giá trị hình sin trong một chu kỳ bằng bội số điều chế N = f c / f 0 (tần số lấy mẫu bằng tần số sóng tam giác) như hình 1.7b. Hình 1.7b: Điều chế đối xứng Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng - Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức sau: () 2.2 1();2()1();()(); 22 sca sam c TUun TnTnTTnunUSin UN π  − ==−=   (1.1) - Sử dụng VĐK có ưu điểm sau: 1.2.1.5. Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H) - Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển các khóa trong mạch 5 ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.8. Q1 IRF3205 Q2 IRF3205 Q4 IRF3205 Q3 IRF3205 R TAI 330 Vdc Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H c 1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC. Thực tế có nhiều cách để cấp nguồn DC cho BBĐ, như dùng điện thu được từ pin mặt trời, pin nhiên liệu hay ắc quy, siêu tụ điện… Với mục tiêu của đề tài là chế tạo BBĐ dùng trong sinh hoạt cho các hộ gia đình, để thuận tiện trong việc ứng dụng nên ắc quy là lựa chọn phù hợp. 1.2.2.1, Giới thiệu chung về Ắc quy. 1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93 1.3. Giới thiệu về Atmega8. 1.3.1.Tổng quan về Atmega8. * Giới thiệu về vi điều khiển AVR * Sơ đồ chân chíp Atmega8. Chip Atmega8 được đóng gói trong hai dạng vỏ khác nhau như hình 1.10. Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8. 6 * Thông số kỹ thuật : - 32 x 8 thanh ghi làm việc mục đích chung. - Tốc độ hoạt động lên đến 12 triệu lệnh/s tại tần số 12MHz - Bộ nhớ; + 8KB bộ nhớ chương trình dạng flash có thể tự lập trình trong hệ thống. + 512 Bytes EEPROM. + 1KB SRAM trên chip. + 1 timer/counter 16 bít với bộ Prescaler độc lập, chế độ so sánh. + 2 kênh điều chỉnh độ rộng xung PWM. + Khối chuyển đổi tương tự - số (ADC) 8 kênh, 10 bit. + Giao tiếp nối tiếp. 1.3.2.Sơ đồ khối 1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ. 1.3.4. Timer/Counter trong atmega8 và cách sử dụng. 1.3.4.1. Giới thiệu về Timer/Counter. - 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 coi như hai chế độ nhỏ (và cũng là hai chức năng cơ bản) đó là tạo ra một khoảng đếm thời gian và đếm sự kiện. - Timer/Counter1: Là bộ định thời, đếm đa năng 16 bit. Bộ Timer/Counter có 5 chế độ hoạt động chính. Ngoài các chức năng 7 thông thường, Timer/Counter1 còn được dùng để tạo ra xung điều rộng PWM dùng cho các mục đích điều khiển. Có thể tạo ra 2 tín hiệu PWM độc lập trên các chân OC1A (chân15) và OC1B (chân 16) bằng Timer/Counter1. - Timer/Counter2: Tuy là module 8 bit như Timer/Counter0 nhưng Timer/Counter2 có đến 4 chế độ hoạt động như Timer/Counter1, ngoài ra nó còn được sử dụng như môt module canh chỉnh thời gian cho các ứng dụng thời gian thực (chế độ asynchronous). Chế độ asynchronous của Timer/Counter2 sẽ được bỏ qua vì chế độ này không được sử dụng phổ biến. Trước khi khảo sát hoạt động của các Timer/Counter, ta thống nhất cách gọi các Timer/Counter là T/C, ví dụ T/C1 để chỉ Timer/Counter1… 1.3.4.2. Sử dụng Timer/Counter. a, Một số khái niệm: b,Timer/Counter1: - Timer/Counter1 là bộ thanh ghi 16 bit, đa chức năng. Đây là bộ T/C lý tưởng cho lập trình đo lường và điều khiển vì có độ phân giải cao (16bit) và có khả năng tạo xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation). - OCR1A và OCR1B (Output Compare Register A và B): Cần phải lưu ý đến khái niệm là Output Compare. Trong lúc T/C hoạt động, giá trị thanh ghi TCNT1 tăng, giá trị này được liên tục so sánh với các thanh ghi OCR1A và OCR1B (so sánh độc lập với từng thanh ghi), việc so sánh này trên AVR gọi là Output Compare. 1.3.4.3 Tạo PWM tần số cao (Fast PWM). 8 - Trong chế độ Fast PWM, 1 chu kỳ được tính trong 1 lần đếm từ BOTTOM lên TOP (single-slope), vì thế mà chế độ này gọi là Fast PWM (PWM nhanh). Hình 1.22: mô tả ngõ ra qua biểu đồ thời gian như sau: 1 2 3 4 5 6 7Chu ky Dâu ra dao Dâu ra khong dao TCNTn Gia tri can so sanh duoc ghi trong OCRn Gia tri TOP COMn1:0=2 COMn1:0=3 Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM 1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8. - Interrupts, thường được dịch là Ngắt, là một “tín hiệu khẩn cấp” gửi đến bộ xử lí, yêu cầu bộ xử lí tạm ngừng tức khắc các hoạt động hiện tại để “nhảy” đến một nơi khác thực hiện một nhiệm vụ “khẩn cấp” nào đó, nhiệm vụ này gọi là trình phục vụ ngắt – isr (interrupt service routine). Sau khi kết thúc nhiệm vụ trong isr, bộ đếm chương trình sẽ được trả về giá trị trước đó để bộ xử lí quay về thực hiện tiếp các nhiệm vụ còn dang dở. Như vậy, ngắt có mức độ ưu tiên xử lí cao nhất, ngắt thường được dùng để xử lí các sự kiện bất ngờ nhưng không tốn quá nhiều thời gian. 1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số (ADC) - Độ chính xác của bộ ADC: Bộ ADC 10 bít chuyển đổi điện áp một cách tuyến tính giữa chân GND và điện áp tham khảo V ref tạo thành 2 n bước, bước thấp nhất là 0, bước cao nhất là 2 n – 1. - Kết quả chuyển đổi ADC: 9 + Sau khi chuyển đổi hoàn thành (ADIF = 1), kết quả được lưu trong 2 thanh ghi ADCL và ADCH + Đối với chuyển đổi đơn cực kết quả là: ADC ref .1024 in V V = 1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA 1.3.6.2 Thanh ghi dữ liệu của bộ ADC- ADCH và ADCL 1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC B – ADCSRB 1.3.7.Các thanh ghi Port xuất nhập 1.3.7.1 Giới thiệu 1.3.7.2 Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi điện áp từ 12v một chiều, thành điện áp 220v xoay chiều, tần số từ 50Hz đến 60Hz cần rất nhiều thời gian, từ khảo sát, thiết kế phần cứng, viết phần mềm, khảo sát chất lượng điện áp đầu ra, công suất trên tải…Với thời gian có hạn nên em chỉ tập trung thiết kế phần cứng của bộ biến đổi, gồm: Bo mạch chính, biến áp công suất và kết hợp với phần mềm do đề tài khác thiết kế, để hoàn thiện BBĐ. 2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ 2.1.1 Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển. - Từ sơ đồ chân của chip ta đặt các ngõ vào, ra như sau: [...]... dưới của mạch điện 14 Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện 2.3.3 Chế tạo biến áp 2.3.3.1 Biến áp phản hồi dòng điện - Hình ảnh biến áp sau khi chế tạo Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện 2.3.3.2 Biến áp Công suất - Hình ảnh cuộn dây máy biến áp sau khi chế tạo Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất 15 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BBĐ 3.1 Thiết bị để kiểm tra 3.1.1 Đồng hồ đo điện áp ra trên tải Hình... điện áp vào quá cao hay quá thấp bằng mạch đo điện áp - Tần số ra trên tải 55 Hz phù hợp với thiết bị điện tại Việt Nam * Kết luận: Từ kết quả thực nghiệm trên, có thể nói rằng em đã hoàn thành việc thiết kế phần cứng BBĐ DC- AC Với điện áp ra ổn định 220v, tần số 55Hz và sóng sin (có độ méo nhỏ), hoàn toàn có thể đáp ứng được với các thiết bị dân dụng Tuy nhiên nếu cung cấp điện áp cho các thiết bị... hoặc các thiết bị yêu cầu chất lượng điện áp cao hơn, thì cần phải thiết kế thêm mạch lọc 3.3 Hướng phát triển - Phát triển thành bộ inverter dùng trong gia đình - Có thể phát triển thành bộ thí nghiệm dùng giảng dạy và 21 học tập các môn; Điện tử công suất, Vi điều khiển - Nếu tích hợp mạch nạp cho IC VĐK trên cùng bo mạch chính, để thay đổi nội dung chương trình phần mềm, mục đích là để thay đổi tần... hiệu 2.1.9 Lựa chọn biến áp * Biến áp công suất: Để khắc phục hiện tượng quá dòng khi khởi động (dùng tải điện cảm) nên ta chọn biến áp công suất là biến áp lõi silic * Biến áp phản hồi dòng: phương án lựa chọn biến áp này là sử dụng biến áp xung (lõi phe rit) 2.1.10 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 2.1.10.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ 2.1.10.2 Mạch in sau khi thiết kế Hình 2.13: Mạch in... 1K 1K 1K 1K Hình 2.10: Các đèn led 12 - Ngoài các đèn Led báo chế độ làm việc và chế độ bảo vệ của BBĐ còn có hệ thống còi để báo hiệu, hình 1.11 LS1 14 15 16 17 18 19 9 10 21 20 PB0/ICP1 U3.1 PB1/OC1A PB2/SS/OC1B PB3/MOSI/OC2 PB4/MISO PB5/SCK PB6/TOSC1/XTAL1 PB7/TOSC2/XTAL2 AREF AVCC PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RESET ATMEGA8 PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/T0/XCK... 100 L1 4 U2.1:B RV2.2 6 14 15 16 17 18 19 9 10 20K 7 5 8 LM393 R2.2 5v 1k PB0/ICP1 U3.1 PB1/OC1A PB2/SS/OC1B PB3/MOSI/OC2 PB4/MISO PB5/SCK PB6/TOSC1/XTAL1 PB7/TOSC2/XTAL2 PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC 4/SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RESET DIODE 8 5v D2.1 R 2.1 330 U2.1:A 3 21 20 1 2 AR EF AVCC ATMEGA8 PD0/RXD PD 1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/T0/XCK PD5/T1 PD6/AIN0 PD7/AIN1 RL8.1 23 24 25 26 27 28... 10u Hình 2.7: Mạch phản hồi điện áp 2.1.6 Mạch bảo vệ quá nhiệt độ - Sơ đồ mạch điện như hình 2.8 R4 1 5v 56k Unh RT 4.1 R 4.2 KTY 81-1X X 30k +tc 12V 21 20 AREF AV CC PC0/A DC0 PC1/A DC1 PC2/A DC2 PC3/A DC3 P C4/A DC4 /SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RES ET ATME GA8 PD0/RXD PD1/TXD PD2/ I NT0 PD3/ I NT1 P D4/T0/XCK P D5/T1 PD6/AIN0 PD7/AIN1 23 24 25 26 27 28 1 2 3 4 5 6 11 12 13 D 6.1 DIODE QU AT +8 8 8 PB 0/ICP1... 2.1.10.2 Mạch in sau khi thiết kế Hình 2.13: Mạch in 2.2 Lưu đồ thuật toán 2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra 2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển 2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển 2.2.4 Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải 13 2.2.5 Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC 2.3 Chế tạo 2.3.1.Công tác chuẩn bị * Dụng cụ: - Mỏ hàn - Bàn quấn dây - Đồng hồ vạn năng - Kìm, kéo, tô... hiện sóng Dùng để kiểm tra dạng sóng ra trên tải Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope) 16 3.2 Kết quả của đề tài - Đề tài đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển phần nghịch lưu BBĐ từ 12v thành 220v xoay chiều sin, BBĐ có công suất 500W Sau đây là hình ảnh thực tế kết quả sau thực nghiệm Hình 3.4: Sơ đồ nối điện áp ra với ổ cấm điện Hình 3.5: Điện áp ra trên...10 Hình 2.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK 2.1.2 Thiết kế khối nguồn cho VĐK BR1.1 12v U1.1 3 1 C1.2 220u 2 1000u VI VO 3 G ND C1.1 CONN-H2 7805 VO 2 2 1 VI G ND 1 5v U1.2 7812 J1 C1.3 220u BRIDGE Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 2.1.3.Mạch điều khiển (tiền khuếch đại) - Là mạch khuếch đại xung, kích từ 5v lên 12v để điều khiển công suất trong bộ cầu H 12V R12.2 2k2 Q12.3 2SC238 . CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH 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 . THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi điện áp từ 12v một chiều, thành điện áp 220v xoay chiều, tần số từ 50Hz đến 60Hz cần rất nhiều thời gian, từ khảo sát, thiết. đổi hoàn thành (ADIF = 1), kết quả được lưu trong 2 thanh ghi ADCL và ADCH + Đối với chuyển đổi đơn cực kết quả là: ADC ref .1024 in V V = 1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA