Thiết kế bộ inverter công suất 1200w 122448VDC, 220VAC, F=50HZ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế Inverter công suất 1200W, 12/24/48VDC, 220VAC, f=50Hz ” tự thiết kế dƣới hƣớng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Cảnh Quang Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án sử dụng tài liệu đƣợc ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 18 tháng 09 năm 2013 Tác giả luận văn Hoàng Minh Hải DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PWM Pulse-width modulation A/D Analog to Digital IC Intergrated circuit D/A Digital to Analog RISC Reduced instruction set computer USART Universal asynchronous receiver/transmitter SPI Serial peripheral interface T/C Timer/Counter µC, µP Microcontroller, Microprocessor UPS Uninterruptible Power Supply DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt khóa mạch cầu H - 14 Bảng 3.2 Trạng thái phóng nạp ắc quy - 17 Bảng 3.3 Khả khởi động ban đầu ắc quy - 22 Bảng 3.4 Khả phóng điện khởi động ắc quy - 23 Bảng 3.5 Chân PWM ATmega 16 - 28 Bảng 3.6 Mô tả bit COM chế độ Fast PWM - 31 Bảng 3.7 Các chế độ chọn xung nhịp cho T/C1 - 33 - DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Một số thiết bị nghịch lƣu thị trƣờng - Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lƣu - Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lƣu đề tài - Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý vận hành - Hình 3.2 Sơ đồ nghịch lƣu áp pha dạng cầu… - 10 Hình 3.3 Các dạng sóng: mô hình sin (modified sin wave), sin chuẩn (sine wave), xung vuông (square wave) - 11 Hình 3.4 Sơ đồ cách tạo tính hiệu PWM - 12 Hình 3.5 Sơ đồ đơn giản mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc - 13 Hình 3.6 Cấu tạo Ắc quy - 15 Hình 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ dd γ tới điện trở sức điện động - 16 Hình 3.8 Đồ biểu thị phụ thuộc dung lƣợng phóng dòng điện sinh ra-19Hình 3.9 Đặc tính phóng ắc quy - 20 Hình 3.10 Đặc tính nạp ắc quy - 21 Hình 3.11 Sơ đồ chân ATMega16 - 26 Hình 3.12 Sơ đồ khối ATMega16 - 27 Hình 3.13 Dạng xung ngõ chế độ Fast pwm - 29 Hình 3.14 Thanh ghi TCCR1A TCCR1B - 31 Hình 3.15 Fast PWM mode 14 chân OC1A - 32 Hình 3.16 Thanh ghi cho trình phục vụ ngắt - 37 Hình 3.17 Thanh ghi cờ ngắt - 38 Hình 3.18 Thanh ghi trạng thái - 38 Hình 4.1 Sơ đồ nghịch lƣu cầu H - 39 Hình 4.2 Mạch kích Mosfet IR 2110 - 39 Hình 4.3 Mạch nguồn 9V 5V - 40 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển - 41 Hình 4.5 Sơ đồ chân ULN2804 - 42 - Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc bên ULN 2804 - 42 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp ắc quy - 43 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng ắc quy - 43 Hình 4.9 Sơ đồ chân op-amp LM358 - 44 Hình 4.10 Dạng op-amp - 44 Hình 4.11 Mạch lọc LC sơ đồ thiết kế - 45 Hình 4.12 Mạch sạc ắc quy 12V - 45 Hình 5.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lƣu - 47 Hình 6.1 Mạch điều khiển mạch nghịch lƣu - 48 Hình 6.2 Mạch sạc ắc quy - 48 Hình 6.3 Ghép nối mạch sạc với mạch điều khiển - 49 - MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU…….…………………………………………………………- CHƢƠNG I GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ NGHỊCH LƢU………………… - Tìm hiểu thiết bị lƣu điện số hãng sản xuất - 2 Mục tiêu phạm vi đề tài - 3 Các nội dung thực - CHƢƠNG II NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƢU……… - Cấu tạo nguyên lý hoạt động - 1.1 Cấu tạo thiết bị nghịch lƣu pha - 1.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị nghịch lƣu pha - 1.2.1 Khối nguồn DC - 1.2.2 Khối điều khiển - 1.2.3 Khối công suất - 1.2.4 Khối biến áp - Cấu tạo thiết bị nghịch lƣu đề tài - 2.1 Bộ phận nghịch lƣu - 2.2 Bộ phận đo áp – dòng - 2.3 Bộ phận sạc điện cho ắc quy - Các chế độ hoạt động thiết bị nghịch lƣu - 3.1 Chế độ hoạt động điện lƣới - 3.2 Chế độ hoạt động có điện lƣới - 3.2.1 Chế độ sạc tay - 3.2.2 Chế độ sạc tự động - CHƢƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƢU……………………… - Sơ đồ nguyên lý vận hành - Phần động lực - 1.1 Giới thiệu chung nghịch lƣu áp - 1.1.1 Nghịch lƣu áp pha - 1.1.2 Các phƣơng pháp điều khiển thiết bị nghịch lƣu áp………………- 10 - 1.2 Mạch cầu H - 13 1.3 Bộ lọc tần số - 14 1.4 Ắc quy - 14 1.4.1 Ắc quy sử dụng thiết bị - 14 1.4.2 Giới thiệu chung ắc quy - 15 1.4.3 Quá trình hóa học ắc quy - 16 1.4.4 Các thông số ắc quy - 17 1.4.4.1 Sức điện động - 17 - 1.4.4.2 Dung lƣợng phóng - 18 - 1.4.4.3 Dung lƣợng nạp - 19 - 1.4.5 Đặc tính phóng ắc quy - 19 1.4.6 Đặc tính nạp - 20 1.4.7 Những dấu hiệu nhận biết ắc quy đầy điện - 22 1.4.8 Tiêu chuẩn ắc quy TCVN :4472 : 93 - 22 Phần điều khiển - 24 2.1 Vi điều khiển - 24 2.1.1 Giới thiệu vi điều khiển AVR - 24 2.1.2 Các thông số hoạt động ATmega 16 - 25 2.1.3 Mô tả chân tính - 25 2.1.4 Sơ đồ khối - 27 2.1.5 Giới thiệu chế độ PWM vi điều khiển ATmega 16 - 28 2.1.6 Các ghi port vào - 34 a Giới thiệu - 34 b Các chân port dùng nhƣ chân I/O thông thƣờng - 35 2.1.7 Giới thiệu ngắt ATmega 16 - 36 CHƢƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG…………………….…… - 39 Mạch nghịch lƣu cầu H - 39 Mạch nguồn 9V 5V - 40 Mạch điều khiển - 40 - Mạch đo dòng đo áp ắc quy - 43 Tính toán giá trị mạch lọc LC - 45 CHƢƠNG V: LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN……………………………….… - 47 CHƢƠNG VI: KẾT QUẢ VÀ CÁC KẾT LUẬN…………………… … - 48 Kết thiết kế………………………………………………………… - 48 1.1 Mạch điều khiển nghịch lƣu - 48 1.2 Mạch sạc ắc quy 12V - 48 1.3 Mạch điều khiển kết nối mạch sạc - 49 Kết luận - 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….- 51 - LỜI NÓI ĐẦU Hiện ứng dụng điện điện tử đƣợc quan tâm đặc biệt ngành sản xuất công nghiệp có ngành sản xuất sản phẩm phục vụ cho nhu cầu trực tiếp ngƣời, sản phẩm điện điện tử hộ nơi công sở nhƣ: thiết bị tự động điều chỉnh ánh sáng phòng, thiết bị lƣu điện, thang máy, thiết bị cảnh báo tự động, hệ thống giám sát nơi đông ngƣời… Theo tiêu chí lựa chọn đề tài thiết kế Inverter công suất 1200W, 12/24/48VDC, 220VAC, f=50hz làm đề tài luận văn tốt nghiệp Lựa chọn đề tài thiết kế Inverter mục đích đáp ứng nhu cầu thiết yếu thị trƣờng, mà với thân đề tài tạo điều kiện giúp vận dụng kiến thức tích lũy, học hỏi công việc giải toán thực tiễn xã hội Có thể nói đề tài : “Thiết kế Inverter công suất 1200W, 12/24/48VDC, 220VAC, f=50hz” đề tài mới, nhƣng sau tháng nỗ lực thực luận văn thạc sĩ thành công việc thiết kế xây dựng thành công sản phẩm theo yêu cầu, thông số đề Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Cảnh Quang tận tình bảo trình thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo Bộ môn KTĐ&THCN bạn học viên lớp cao học đo lƣờng hệ thống điều khiển khóa 2011b giúp đỡ suốt trình học tập nhƣ thời gian làm luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 18 tháng 09 năm 2013 Tác giả luận văn Hoàng Minh Hải Chương I Giới thiệu thiết bị nghịch lưu CHƢƠNG I GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ NGHỊCH LƢU Tìm hiểu thiết bị lƣu điện số hãng sản xuất Hiện việc thiếu điện cắt điện luân phiên vấn đề khó giải với đất nƣớc ta nhiều năm trở lại Theo nhu cầu ngƣời sử dụng mà nhiều công ty, sở sản xuất đƣa sản phẩm cung cấp điện với nhiều công suất khác nhằm đáp ứng việc giải nguồn điện tạm thời cho hộ gia đình nhƣ quan xí nghiệp Có thể thấy thị trƣờng nay, thiết bị cung cấp nguồn điện dân dụng chia làm hai hƣớng phát triển chính: thiết bị lƣu điện máy phát điện Qua tìm hiểu số loại thiết bị lƣu điện có thị trƣờng nay, thấy thiết bị lƣu điện đƣợc cấu tạo gồm phận sau: - Phần nghịch lƣu: Đây phần thiết bị lƣu điện, mục đích để chuyển đổi điện áp chiều lấy từ ắc quy thành điện áp xoay chiều dùng cho thiết bị điện - Phần mạch sạc: Hiện thị trƣờng có nhiều loại mạch sạc nhiều sở sản xuất khác Có thể gắn liền với lƣu điện sạc độc lập với thiết bị lƣu điện Mục đích sạc sạc lƣợng từ điện lƣới vào ắc quy ắc quy mức lƣợng yếu hết, đóng vai trò chuyển mạch sử dụng nguồn điện lƣới thay điện cung cấp từ ắc quy trƣờng hợp có điện lƣới, chuyển mạch từ điện lƣới thành điện lấy từ ắc quy trƣờng hợp điện lƣới - Ắc quy: Hiện thị trƣờng có nhiều loại ắc quy nhƣ: ắc quy nƣớc, ắc quy khô, ắc quy kín khí,… Theo khuyến cáo nhiều nhà sản xuất thiết bị lƣu điện nên sử dụng ắc quy loại kín khí cho lƣu điện vì: Thiết bị lƣu điện dân dụng thƣờng đƣợc sử dụng hộ gia đình, việc sử dụng loại ắc quy kín khí đảm bảo cho sức khỏe ngƣời trình sử dụng thiết bị lƣu điện Ắc quy phổ biến thƣờng dùng với thiết bị nghịch lƣu ắc quy 12V hoăc 24V -2- Chương III Thiết kế thiết bị nghịch lưu nhiều nhiệm vụ bao gồm nhận thông tin từ ngƣời dùng qua button hay keypad (hoặc keyboard), nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lí thông tin, xuất tín hiệu điều khiển, hiển thị thông tin trạng thái lên LCD…(bạn hoàn toàn làm đƣợc với AVR ), rõ ràng nhiệm vụ, việc nhận thông tin ngƣời dùng (start, stop, setup, change,…) xảy (so với nhiệm vụ khác) nhƣng lại “khẩn cấp”, đƣợc ƣu tiên hàng đầu Nếu dùng Polling nghĩa bạn cần viết đoạn chƣơng trình “chuyên” thăm dò trạng thái button (tôi tạm gọi Input() ) bạn phải chèn đoạn chƣơng trình vào nhiều vị trí chƣơng trình để tránh trƣờng hợp bỏ sót lệnh từ ngƣời dùng, điều thật lãng phí thời gian thực thi Giải pháp cho vấn đề sử dụng ngắt, cách kết nối button với đƣờng ngắt chip sử dụng chƣơng trình Input() làm isr ngắt đó, bạn không cần phải chèn Input() lúc thực thi không tốn thời gian cho nó, Input() đƣợc gọi ngƣời dùng nhấn button Các ghi liên quan đến điều khiển ngắt T/C0 T/C1  TIMSK (Timer/Counter Interrup Mask Register): Các T/C AVR dùng chung ghi mặt nạ ngắt, TIMSK đƣợc dùng để quy định ngắt cho T/C0 T/C1 Có điều quan tâm đến bit (đối với T/C0) bit từ đến (đối với T/C1) TIMSK Có loại ngắt T/C0 loại ngắt T/C1 Hình 3.16 Thanh ghi cho trình phục vụ ngắt Bit ghi TIMSK TOIE1, bit quy định ngắt tràn cho T/C0 Bit ghi TIMSK TOIE1, bit quy định ngắt tràn cho T/C1 Bit OCIE1B bit cho phép ngắt có „Match‟ xảy việc so sánh TCNT1 với OCR1B - 37 - Chương III Thiết kế thiết bị nghịch lưu Bit OCIE1A bit cho phép ngắt có „Match‟ xảy việc so sánh TCNT1 với OCR1A Bit TICIE1 bit cho phép ngắt trƣờng hợp Input Capture đƣợc dùng  TIFR (Timer/counter Interrup Flag Register) ghi cờ nhớ cho tất T/C Các bit (đối với T/C0) từ đến (đối với T/C1) ghi cờ trạng thái T/C Hình 3.17 Thanh ghi cờ ngắt Sau thiết lập cho ghi để điều khiển ngắt cho T/C1 Điều cuối ta cần làm set bit I (bit cho phép ngắt xảy ra) ghi SREG (Status register) Hình 3.18 Thanh ghi trạng thái - 38 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng CHƢƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG Trong chƣơng trình bày mạch phần cứng đề tài Các mạch bao gồm: - Mạch công suất (mạch nghịch lƣu cầu H) - Mạch điều khiển thiết bị nghịch lƣu dùng ATMega16 - Mạch đo dòng, đo áp ắc quy để đọc vi xử lý kiểm tra - Mạch sạc ắc quy Mạch nghịch lƣu cầu H Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.1 Sơ đồ nghịch lƣu cầu H Hình 4.2 Mạch kích Mosfet IR 2110 Vì mạch cầu H sử dụng mosfet IRF540N kích đƣợc điện áp mức cao xung 10V, mà điện áp xung kích 5V xuất từ chân PWM vi xử lý - 39 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng kích đƣợc Do đó, mạch kích mosfet, xung kích PWM – 5V từ vi xử lí đƣợc nâng lên thành xung – 15V dùng ULN2804 (sẽ đƣợc trình bày phần sau) để kích đƣợc mosfet Mạch nguồn 9V 5V - Mạch nguồn 9V đƣợc thiết để cung cấp điện áp ổn định 9V cho mạch hồi tiếp áp ngõ ra, sử dụng 7809 làm ổn áp với đầu vào 15V lấy từ mạch nguồn 15V - Mạch nguồn 5V đƣợc thiết kế để cung cấp điện áp ổn định 5V cho ATMega16 hoạt động số linh kiện khác Trong luận văn này, LM7805 đƣợc dùng làm ổn áp 5V Hình 4.3 Mạch nguồn 9V 5V Mạch điều khiển - 40 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển - 41 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng Trong mạch điều khiển, sử dụng ULN 2804 để khuếch đại xung kích từ 5V lên 12V với mục đích chống nhiễu Hình 4.5 Sơ đồ chân ULN2804 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc bên ULN 2804 Ngõ ULN 2804 đƣợc nối lên nguồn 12V - 42 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng Mạch đo dòng đo áp ắc quy Mạch có nhiệm vụ đo áp từ ắc quy hồi tiếp chân ADC vi xử lý để biết đƣợc ắc quy hết điện để dừng hoạt động thiết bị nghịch lƣu Mạch đo dòng ắc quy để biết dòng chạy qua mạch tăng cao mức cho phép ngắt Mạch hồi tiếp áp đƣợc thiết kế theo phân áp điện trở Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp ắc quy Trong mạch LM358 đƣợc sử dụng để đệm áp trƣớc đƣa tín hiệu vào vi xử lý Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng ắc quy - 43 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng Trong sơ đồ op-amp đƣợc sử dụng để khuếch đại điện áp điện trở shunt từ 10mV lên 2.4V op-amp thứ LM358 đƣợc dùng để đệm trƣớc đƣa vào vi xử lý Bộ khuếch đại khuếch đại lên (R10+R12)/R9 lần Hình 4.9 Sơ đồ chân op-amp LM358 Mỗi LM358 có op-amp có chân đƣợc bố trí nhƣ hình trên, chân số đƣợc nối với GND, chân số đƣợc cấp nguồn 5V để LM358 hoạt động Công thức tính toán: Hình 4.10 Dạng op-amp Dòng điện vào từ V2 qua Ri qua Rf nên: Thay giá trị Vm vào biểu thức ta đƣợc: - 44 - Chương IV Thiết kế mạch phần cứng Tính toán giá trị mạch lọc LC Hình 4.11 Mạch lọc LC sơ đồ thiết kế Các giá trị trở kháng mạch lọc: Ở tần số 50Hz (tần số điện áp AC ngõ ra): ZL = ωL = 2*50*π*10-3 = 0.314(Ω) ZC = 1/ ωC = 1/(2*50* π*10-6) = 3183(Ω) Nhƣ vậy, tần số 50Hz, ZL