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

Qua sự tìm hiểu về một số loại thiết bị lưu điện đang có trên thị trường hiện nay, tôi thấy rằng thiết bị lưu điện được cấu tạo gồm các bộ phận chính sau: - Phần nghịch lưu: Đây là phần

Trang 1

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế bộ Inverter công suất 1200W, 12/24/48VDC, 220VAC, f=50Hz ” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Cảnh Quang Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng

với thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 18 tháng 09 năm 2013

Tác giả luận văn

Hoàng Minh Hải

Trang 2

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

µC, µP Microcontroller, Microprocessor

UPS Uninterruptible Power Supply

Trang 3

Bảng 3.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H - 14 -

Bảng 3.2 Trạng thái phóng và nạp của ắc quy - 17 -

Bảng 3.3 Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy - 22 -

Bảng 3.4 Khả năng phóng điện khởi động của ắc quy - 23 -

Bảng 3.5 Chân PWM của ATmega 16 - 28 -

Bảng 3.6 Mô tả các bit COM trong chế độ Fast PWM - 31 -

Bảng 3.7 Các chế độ chọn xung nhịp cho T/C1 - 33 -

Trang 4

Hình 1.1 Một số thiết bị nghịch lưu trên thị trường - 3 -

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lưu - 4 -

Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lưu trong đề tài - 5 -

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý vận hành - 8 -

Hình 3.2 Sơ đồ nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu… - 10 -

Hình 3.3 Các dạng sóng: mô phỏng hình sin (modified sin wave), sin chuẩn (sine wave), xung vuông (square wave) - 11 -

Hình 3.4 Sơ đồ cách tạo ra tính hiệu PWM - 12 -

Hình 3.5 Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc - 13 -

Hình 3.6 Cấu tạo Ắc quy - 15 -

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ dd γ tới điện trở và sức điện động - 16 -

Hình 3.8 Đồ thì biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dòng điện sinh ra-19- Hình 3.9 Đặc tính phóng của ắc quy - 20 -

Hình 3.10 Đặc tính nạp của ắc quy - 21 -

Hình 3.11 Sơ đồ chân trong ATMega16 - 26 -

Hình 3.12 Sơ đồ khối ATMega16 - 27 -

Hình 3.13 Dạng xung ngõ ra chế độ Fast pwm - 29 -

Hình 3.14 Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B - 31 -

Hình 3.15 Fast PWM mode 14 ở 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 lưu cầu H - 39 -

Hình 4.2 Mạch kích bằng Mosfet IR 2110 - 39 -

Hình 4.3 Mạch nguồn 9V và 5V - 40 -

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển - 41 -

Hình 4.5 Sơ đồ chân ULN2804 - 42 -

Trang 5

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng trên ắc quy - 43 -

Hình 4.9 Sơ đồ chân op-amp LM358 - 44 -

Hình 4.10 Dạng cơ bản của op-amp - 44 -

Hình 4.11 Mạch lọc LC trong sơ đồ thiết kế - 45 -

Hình 4.12 Mạch sạc ắc quy 12V - 45 -

Hình 5.1 Mạch điều khiển và mạch nghịch lưu - 47 -

Hình 6.1 Mạch điều khiển và mạch nghịch lưu - 48 -

Hình 6.2 Mạch sạc ắc quy - 48 -

Hình 6.3 Ghép nối mạch sạc với mạch điều khiển - 49 -

Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU…….………- 1 -

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU……… - 2 -

1 Tìm hiểu về thiết bị lưu điện của một số hãng sản xuất hiện nay - 2 -

2 Mục tiêu và phạm vi của đề tài - 3 -

3 Các nội dung thực hiện 3

-CHƯƠNG II NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU……… - 4 -

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động - 4 -

1.1 Cấu tạo cơ bản của các thiết bị nghịch lưu một pha - 4 -

1.2 Nguyên lý hoạt động của của thiết bị nghịch lưu một pha - 4 -

1.2.1 Khối nguồn DC - 4 -

1.2.2 Khối điều khiển - 4 -

1.2.3 Khối công suất - 4 -

1.2.4 Khối biến áp - 5 -

2 Cấu tạo thiết bị nghịch lưu trong đề tài - 5 -

2.1 Bộ phận nghịch lưu - 5 -

2.2 Bộ phận đo áp – dòng - 5 -

2.3 Bộ phận sạc điện cho ắc quy - 6 -

3 Các chế độ hoạt động của thiết bị nghịch lưu - 6 -

3.1 Chế độ hoạt động khi mất điện lưới - 6 -

3.2 Chế độ hoạt động khi có điện lưới - 6 -

3.2.1 Chế độ sạc bằng tay - 7 -

3.2.2 Chế độ sạc tự động - 7 -

CHƯƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU……… - 8 -

Sơ đồ nguyên lý vận hành - 8 -

1 Phần động lực - 9 -

1.1 Giới thiệu chung về nghịch lưu áp - 9 -

1.1.1 Nghịch lưu áp 1 pha - 9 -

Trang 7

1.4 Ắc quy - 14 -

1.4.1 Ắc quy sử dụng trong thiết bị - 14 -

1.4.2 Giới thiệu chung về ắc quy - 15 -

1.4.3 Quá trình hóa học của ắc quy - 16 -

1.4.4 Các thông số cơ bản của ắc quy - 17 -

1.4.4.1 Sức điện động - 17 -

1.4.4.2 Dung lượng phóng - 18 -

1.4.4.3 Dung lượng nạp - 19 -

1.4.5 Đặc tính phóng của ắc quy - 19 -

1.4.6 Đặc tính nạp - 20 -

1.4.7 Những dấu hiệu nhận biết ắc quy đã đầy điện - 22 -

1.4.8 Tiêu chuẩn ắc quy TCVN :4472 : 93 - 22 -

2 Phần điều khiển - 24 -

2.1 Vi điều khiển - 24 -

2.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển AVR - 24 -

2.1.2 Các thông số hoạt động của ATmega 16 - 25 -

2.1.3 Mô tả chân và các tính năng - 25 -

2.1.4 Sơ đồ khối - 27 -

2.1.5 Giới thiệu chế độ PWM trong vi điều khiển ATmega 16 - 28 -

2.1.6 Các thanh ghi port vào ra - 34 -

a Giới thiệu - 34 -

b Các chân port dùng như các chân I/O thông thường - 35 -

2.1.7 Giới thiệu ngắt trong ATmega 16 - 36 -

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG……….…… - 39 -

1 Mạch nghịch lưu cầu H - 39 -

2 Mạch nguồn 9V và 5V - 40 -

Trang 8

CHƯƠNG V: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN……….… - 47 -

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ VÀ CÁC KẾT LUẬN……… … - 48 -

1 Kết quả thiết kế……… - 48 -

1.1 Mạch điều khiển và nghịch lưu - 48 -

1.2 Mạch sạc ắc quy 12V - 48 -

1.3 Mạch điều khiển chính kết nối mạch sạc - 49 -

2 Kết luận - 49 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….- 51 -

Trang 9

xuất công nghiệp trong đó có các ngành sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu trực tiếp của con người, các sản phẩm điện điện tử trong các căn hộ hoặc nơi công

sở như: thiết bị tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng, thiết bị lưu điện, thang

máy, các thiết bị cảnh báo tự động, các hệ thống giám sát nơi đông người…

Theo tiêu chí này tôi đã lựa chọn đề tài thiết kế bộ Inverter công suất 1200W,

12/24/48VDC, 220VAC, f=50hz làm đề tài luận văn tốt nghiệp

Lựa chọn đề tài thiết kế bộ Inverter ngoài mục đích đáp ứng nhu cầu thiết yếu của thị trường, mà với bản thân tôi đề tài này còn tạo điều kiện giúp tôi vận dụng những kiến thức đã tích lũy, học hỏi trong công việc giải quyết các bài toán thực tiễn của xã hội

Có thể nói đề tài : “Thiết kế bộ Inverter công suất 1200W, 12/24/48VDC, 220VAC, f=50hz” không phải là một đề tài mới, nhưng sau 6 tháng nỗ lực thực hiện luận văn thạc sĩ tôi đã thành công trong việc thiết kế và xây dựng thành công sản phẩm theo yêu cầu, thông số đề ra

Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Cảnh Quang đã tận tình chỉ bảo tôi

trong quá trình thực hiện đề tài Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ môn KTĐ&THCN cùng các bạn học viên trong lớp cao học đo lường và các hệ thống điều khiển khóa 2011b đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này

Hà Nội, ngày 18 tháng 09 năm 2013

Tác giả luận văn

Hoàng Minh Hải

Trang 10

Chương I Giới thiệu về thiết bị nghịch lưu

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU

1 Tìm hiểu về thiết bị lưu điện của một số hãng sản xuất hiện nay

Hiện nay việc thiếu điện và cắt điện luân phiên luôn là một vấn đề khó giải quyết với đất nước ta trong nhiều năm trở lại đây Theo nhu cầu của người sử dụng mà nhiều công ty, cơ sở sản xuất đã đưa ra những sản phẩm cung cấp điện với nhiều công suất khác nhau nhằm đáp ứng việc giải quyết nguồn điện tạm thời cho các hộ gia đình cũng như là các cơ quan xí nghiệp

Có thể thấy trên thị trường hiện nay, các thiết bị cung cấp nguồn điện dân dụng

có thể chia làm hai hướng phát triển chính: các thiết bị lưu điện và máy phát điện Qua sự tìm hiểu về một số loại thiết bị lưu điện đang có trên thị trường hiện nay, tôi thấy rằng thiết bị lưu điện được cấu tạo gồm các bộ phận chính sau:

- Phần nghịch lưu: Đây là phần chính trong thiết bị lưu điện, mục đích để chuyển đổi điện áp một chiều lấy từ ắc quy thành điện áp xoay chiều dùng cho các thiết bị điện

- Phần mạch sạc: Hiện nay trên thị trường có nhiều loại mạch sạc của nhiều cơ sở sản xuất khác nhau Có thể gắn liền với bộ lưu điện hoặc là những bộ sạc độc lập với thiết bị lưu điện Mục đích của bộ sạc là sạc năng lượng từ điện lưới vào ắc quy khi ắc quy ở mức năng lượng yếu hoặc hết, và có thể đóng vai trò là bộ chuyển mạch sử dụng nguồn điện lưới thay vì điện cung cấp từ ắc quy trong trường hợp có điện lưới, và chuyển mạch từ điện lưới thành điện lấy từ ắc quy trong trường hợp mất điện lưới

- Ắc quy: Hiện nay trên thị trường có nhiều loại ắc quy như: ắc quy nước, ắc quy khô, ắc quy kín khí,… Theo khuyến cáo của nhiều nhà sản xuất thiết bị lưu điện thì nên sử dụng ắc quy loại kín khí cho các bộ lưu điện vì: Thiết bị lưu điện dân dụng thường được sử dụng trong các hộ gia đình, việc sử dụng các loại ắc quy kín khí sẽ đảm bảo cho sức khỏe con người trong quá trình sử dụng thiết bị lưu điện Ắc quy phổ biến thường dùng với thiết bị nghịch lưu là ắc quy 12V hoăc 24V

Trang 11

Chương I Giới thiệu về thiết bị nghịch lưu

Hình 1.1 Một số thiết bị nghịch lưu trên thị trường

2 Mục tiêu và phạm vi của đề tài

Thiết kế thiết bị nghịch lưu ứng dụng cho hộ gia đình với bộ sạc cho ắc quy

3 Các nội dung thực hiện

- Thiết kế bộ nghịc lưu 12VDC – 220VAC với công suất đặt ra là 1200W

- Thiết kế bộ sạc cho ắc quy 12V, 100Ah

- Hoàn thiện đóng gói sản phẩm

Trang 12

Chương II Nguyên tắc thiết kế thiết bị nghịch lưu

CHƯƠNG II NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

1.1 Cấu tạo cơ bản của các thiết bị nghịch lưu một pha

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lưu

1.2 Nguyên lý hoạt động của của thiết bị nghịch lưu một pha

1.2.1 Khối nguồn DC

Nguồn điện được sử dụng là nguồn một chiều lấy từ bình ắc quy Thời gian sử dụng của thiết bị nghịch lưu chủ yếu phụ thuộc vào dung lượng lưu trữ của ắc quy Công thức tính công suất phát của ắc quy: P=U*I

1.2.2 Khối điều khiển

Nhiệm vụ chính của khối điều khiển là tạo ra sóng dao động đưa vào khối công suất với tần số điện công nghiệp Sóng ở đây thường là ba dạng sóng là sóng sin chuẩn, sóng sin điều chế hoặc vuông Thường thì khối công suất có trở kháng đầu vào rất nhỏ nên trên thực tế chúng ta nên sử dụng một khối khuếch đại đệm làm nhiệm vụ ổn định khối phát xung dao động Ngoài ra khối điều khiển còn làm một

số các tác vụ khác như đo dòng, đo áp của bình ắc quy để đưa ra cảnh báo khi nào bình yếu và kích hoạt mạch sạc cho ắc quy

1.2.3 Khối công suất

Dạng sóng nhận được từ khối điều khiển đưa vào khối công suất sẽ khuếch đại, sau đó đưa vào biến áp tạo điện áp xoay chiều theo yêu cầu Thông thường thì khối

Khối nguồn DC Khối công suất Khối biến áp

Khối điều khiển

Trang 13

công suất sử dụng là các linh kiện công suất như Mosfet, Thysistor, Transistor chịu dòng lớn,…Yêu cầu cho khối này hoạt động tốt cần có hệ thống tản nhiệt, làm mát

1.2.4 Khối biến áp

Đây là thành phần chính quyết định tới công suất của mạch Biến áp sử dụng

thường là biến áp nghịch lưu có tỷ số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều

so với cuộn sơ cấp Công suất của mạch được tính như sau: Pmax=U*I Với I là dòng điện biến áp chịu được, U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp

2 Cấu tạo thiết bị nghịch lưu trong đề tài

Dựa vào việc tham khảo các tài liệu về thiết bị nghịch lưu hiện nay, trong đề tài này tôi sẽ thiết kế thiết bị nghịch lưu với các bộ phận sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết bị nghịch lưu trong đề tài

Mạch nghịch lưu + Biến áp nghịch lưu

Trang 14

trực tiếp nguồn từ điện lưới Mạch đo áp – dòng trong luận văn này được tích hợp trong mạch sạc ắc quy

2.3 Bộ phận sạc điện cho ắc quy

Trên thị trường hiện nay có loại inverter được tích hợp sẵn bộ sạc ắc quy trong mạch chuyển đổi và loại inverter sử dụng bộ sạc ngoài Trong đề tài này, tôi lựa chọn việc tích hợp bộ sạc ắc quy trong mạch inverter Bộ sạc được thiết kế cho ắc quy 12VDC/220A

3 Các chế độ hoạt động của thiết bị nghịch lưu

- Hoạt động khi mất điện lưới

- Hoạt động khi có điện lưới

3.1 Chế độ hoạt động khi mất điện lưới

Khi mất điện lưới, các thiết bị điện sử dụng trong gia đình sẽ được cung cấp nguồn từ ắc quy thông qua inverter Inverter sẽ đo điện áp và dòng điện trong ắc quy, nếu đủ áp và dòng thì inverter sẽ hoạt động để cung cấp nguồn cho thiết bị điện Trong quá trình hoạt động của inverter việc đo dòng và áp luôn được diễn ra

để đưa ra cảnh báo khi dòng và áp ở mức thấp Ngoài ra, inverter cũng đo công suất tiêu thụ của các thiết bị điện để đưa ra cảnh báo quá tải khi thiết bị điện sử dụng quá định mức của inverter

3.2 Chế độ hoạt động khi có điện lưới

Trong trường hợp có điện lưới thì inverter sẽ chuyển chế độ lấy nguồn từ ắc quy sang lấy nguồn từ điện lưới để cung cấp cho các thiết bị điện trong gia đình Trong trường hợp này, quá trình đo dòng, áp để tự động cảnh báo ắc quy đầy trong quá trình sạc ắc quy Trong khi các thiết bị điện đang sử dụng nguồn cấp là điện lưới, điện lưới bị mất thì inverter sẽ được thiết kế hoạt động theo hai chế độ:

Trang 15

3.2.1 Chế độ sạc bằng tay

Nếu inverter đang đặt ở chế độ sạc bằng tay thì khi inverter đang hoạt động ở chế

độ sử dụng điện lưới và điện lưới bị mất thì inverter sẽ không tự động chuyển sang chế độ dùng nguồn ắc quy, mà người sử dụng phải tự bật để chuyển chế độ Điều này giúp người sử dụng sẽ kiểm soát được các thiết bị điện đang sử dụng, tránh trường hợp gây quá tải cho inverter

3.2.2 Chế độ sạc tự động

Nếu inverter đang đặt ở chế độ sạc tự động thì khi inverter đang hoạt động ở chế độ

sử dụng điện lưới và điện lưới bị mất thì inverter sẽ tự động chuyển sang chế độ dùng nguồn ắc quy Nhưng ở chế độ này người sử dụng sẽ không kiểm soát được công suất tiêu thụ của các thiết bị điện trong gia đình, vì không biết được có những thiết bị điện nào trong gia đình đang sử dụng điện, như vậy sẽ làm giảm mức độ về

an toàn điện

Trang 16

Chương III Thiết kế thiết bị nghịch lưu

CHƯƠNG III THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGHỊCH LƯU

Dựa vào định hướng thiết kế các bộ phận của bộ inverter đã được đặt ra ở trên, cũng như định hướng về các chế độ hoạt động cho thiết bị, chương này sẽ tiến hành thiết kế và lựa chọn các linh kiện cho thiết bị

Sơ đồ nguyên lý vận hành

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý vận hành Giải thích sơ đồ:

Trang 17

lọc tần số thấp để lọc các sóng hài bậc cao rồi thông qua máy biến áp cách ly nâng điện áp lên thành 220VAC Như vậy, tín hiệu điện áp cuối cùng ở tải đầu ra là 220VAC/50Hz Nếu có sự thay đổi nào gây mất ổn định ở phần công suất sẽ có tín hiệu được báo về vi điều khiển qua các khối đo, dựa vào đó mạch vi điều khiển sẽ thay đổi một cách thích hợp để ổn định lại

1 Phần động lực

1.1 Giới thiệu chung về nghịch lưu áp

Thiết bị nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Có ba loại nghịch lưu áp: nghịch lưu áp 1 pha, nghịch lưu áp 3 pha, nghịch lưu áp đa bậc

Do việc ứng dụng trong các hộ gia đình vì vậy trong đề tài này chỉ giới hạn ở nghịch lưu áp 1 pha

1.1.1 Nghịch lưu áp 1 pha

Thiết bị nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là thiết bị nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc và 4 diode mắc đối song (hình dưới) Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị

Trang 18

Hình 3.2 Sơ đồ nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu

1.1.2 Các phương pháp điều khiển thiết bị nghịch lưu áp

Có nhiều loại điều khiển thiết bị nghịch lưu áp, có thể kể đến như phương pháp điều khiển theo biên độ, phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng, …Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần dạng sin chuẩn càng tốt Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng mô phỏng hình sin và sin chuẩn

Một sóng mô phỏng hình sin có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng sin chuẩn Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong hình dưới đây Sóng mô phỏng hình sin có thể được tạo dễ dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định Do đó giá thành rẻ, tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này

Trang 19

Hình 3.3 Các dạng sóng: mô phỏng hình sin (modified sin wave), sin chuẩn (sine

wave), xung vuông (square wave)

Để tạo ra dạng sóng sin chuẩn có nhiều phương pháp Tuy nhiên, trong đề tài này tôi chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) vì các ưu điểm của nó như:

- Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn

- Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều

- Có thể kết hợp với vi điều khiển để đơn giản quá trình điều khiển

- Giá thành không quá đắt

- Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp

Trong các bộ biến đổi nguồn và động cơ, PWM được sử dụng một cách rộng rãi

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

Trang 20

Tín hiệu PWM tương tự sử

dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào,

gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu

sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa

trên sự sai khác Tín hiệu chuẩn

phải có dạng sin tần số cùng với

tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi

tín hiệu sóng

mang ở dạng sóng răng cưa hay

tam giác và thường có tần số lớn

hơn tần số chuẩn Khi tín hiệu

sóng mang lớn hơn tín hiệu

chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở

Hình 3.4 Sơ đồ cách tạo ra tính hiệu PWM

Trong đó, tín hiệu sóng mang là xung tam giác, tín hiệu chuẩn là tín hiệu sin Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong thiết bị nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo) Cần phải nói thêm rằng, trong thực tế ngày nay thường dùng vi điều khiển để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với nhau Sử dụng vi điều khiển có ưu điểm:

- Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM

- Ngoài ra, còn có thể sử dụng các cổng còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…

Trang 21

Để nâng cao biên độ tín hiệu PWM nhằm tránh nhiễu cho các khóa người ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác (đề tài này dùng IC ULN2804)

Phần tiếp theo của chương sẽ giới thiệu và sơ đồ của mạch cầu H

1.2 Mạch 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 ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình dưới

Hình 3.5 Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc

Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng dưới Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ ví dụ ngắn mạch

Trang 22

Bảng 3.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H

1.3 Bộ lọc tần số

Các bộ lọc có nhiều dạng với ưu-nhược điểm khác nhau Ví dụ các bộ lọc số có cấu hình đơn giản và có thể được thiết lập bất kỳ tần số nào Nếu yêu cầu chỉ là lọc thông thấp/cao/băng với tần số xác định, các bộ lọc tích cực dạng này có thông số

kỹ thuật rất cao và có suy hao không đáng kể Các bộ lọc này thường được cấu tạo dựa trên các khuếch đại thuật toán (Op-amp) hay các linh kiện lô-gic Tuy nhiên, các bộ lọc này có giá thành cao và không có khả năng lọc tín hiệu điện áp cao Để thực hiện lọc điện áp cao trong các thiết bị nghịch lưu, người ta thường sử dụng các

bộ lọc thụ động Các bộ lọc này có giá thành thấp và dễ triển khai trong thực tế

1.4 Ắc quy

1.4.1 Ắc quy sử dụng trong thiết bị

Thực tế có nhiều cách để cấp nguồn DC cho thiết bị nghịch lưu hoạt động, như dùng điện thu được từ pin mặt trời, pin nhiên liệu hay ắc quy, …) Xong để thiết bị gọn nhẹ dễ di chuyển nên ắc quy là lựa chọn tốt nhất Đối với ắc quy, trên thị trường cũng có nhiều loại khác nhau, trong phần này trình sẽ bày đặc tính của loại

ắc quy được sử dụng trong đề tài, ắc quy axit kiểu kín khí

Trang 23

1.4.2 Giới thiệu chung về ắc quy

Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Dòng điện trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch

Hình 3.6 Cấu tạo Ắc quy Trên nắp mỗi ắc quy đơn có đặt nắp thông hơi, với mục đích:

- Để đậy kín ắc quy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào

- Khi nạp người ta mở nắp này để chất khí hình thành có lối thoát ra

Dung dịch điện phân là H2SO4, nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của ắc quy, thể hiện trong sơ đồ sau:

Trang 24

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ dd γ tới điện trở và sức điện động

Thông thường nồng độ H2SO4 γ = 1.1 – 1.3g/cm3

1.4.3 Quá trình hóa học của ắc quy

Trong ắc quy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện

- Khi nạp nhờ nguồn điện ở mạch ngoài mà các eletron chuyển động từ bản cực âm đến bản cực dương, đây chính là dòng điện nạp In

- Khi phóng điện, dưới tác động của sức điện động ắc quy, các electron sẽ chuyển động theo hướng ngược lại

- Khi ắc quy đã nạp đầy, ở bản cực dương còn lại là PbO2, còn ở bản cực âm là chì xốp Pb Khi phóng hết điện, chất tác dụng ở 2 bản cực đêu trở thành PbSO4 ở dạng tinh thể nhỏ

- Quá trình hóa học (phản ứng điện phân) xảy ra trong ắc quy có thể viết vắn tắt như sau:

+ Trên bản cực dương:

Trang 25

1.4.4 Các thông số cơ bản của ắc quy

1.4.4.1 Sức điện động

Sức điện động phụ thuộc nồng độ của dung dịch điện phân

E0 = 0.85 + γ (V)

Trong đó:

E0: sức điện động của ắc quy đơn (V)

γ: nồng độ dung dịch điện phân (g/cm3)

Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắc quy đƣợc tính theo công thức:

Trang 26

Trong đó:

Ep: sức điện động của ắc quy phóng điện

Up: điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện

Ip: dòng điện phóng

raq : điện trở trong của ắc quy

Trong quá trình nạp điện, sức điện động En đƣợc tính:

En = Un – In.raq

Trong đó:

En: sức điện động của ắc quy khi nạp điện

In: dòng điện nạp

Un: điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện

raq: điện trở trong của ắc quy

Cp: dung lƣợng thu đƣợc trong quá trình phóng điện (Ah)

Ip: dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp

Trang 27

Hình 3.8 Đồ thì biểu thị sự phụ thuộc của dung lƣợng phóng và dòng điện sinh ra 1.4.4.3 Dung lƣợng nạp

Dung lƣợng nạp của ắc quy là đại lƣợng đánh giá khả năng tích trữ năng lƣợng của ắc quy: Cn = In.tn

Trong đó:

Cn: dung lƣợng thu đƣợc trong quá trình nạp điện (Ah)

In: dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn

1.4.5 Đặc tính phóng của ắc quy

Đặc tính phóng của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không đổi

Trang 28

Hình 3.9 Đặc tính phóng của ắc quy Trong khoảng thời gian phóng từ tP = 0 đến tp = tgh, sức điện động, điện áp, nồng

độ dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thì không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định Từ thời điểm tgh trở đi

độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột Nếu tiếp tục cho ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc quy sẽ giảm rất nhanh; mặt khác, các tinh thể PbSO4tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn rất khó hòa tan (biến đổi hóa học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc quy sau này Nhƣ vậy không nên để ắc quy tiếp tục phóng điện sau khoảng thời gian tgh này Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy sau khi phóng

1.4.6 Đặc tính nạp

Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dùng điện nạp không đổi

Trang 29

Hình 3.10 Đặc tính nạp của ắc quy Trong khoảng thời gian nạp từ t = 0 đến t = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần

Tới thời điểm ts, trên bề mặt bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa các cực ắc quy đơn tăng đến 2.4V Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng tới 2.7V và vẫn giữ nguyên Thời gian này gọi

là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi hoàn toàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc quy

Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 – 3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như vậy dung lượng thu được của ắc quy khi phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của

ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp

Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy Dòng

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	1,68 MB