ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ MẠCH ĐO ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA CÁCH LY CHO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 2 LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 4 1.1. Khởi động mềm 4 1.2. Vấn đề đo điện áp 5 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG 6 2.1. Khối phân áp vào 7 2.2. Khối khuếch đại đo lường 7 2.3. Khối hiệu chỉnh 8 2.4. Khối nguồn 9 2.5. Mô phỏng 10 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 13 3.1. Thiết kế mạch in 13 3.2. Quá trình kiểm tra mạch 14 3.3. Kết quả đo với nguồn 3 pha 15 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN: TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO ÁP XOAY CHIỀU PHA CÁCH LY CHO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM Trưởng môn : TS Trần Trọng Minh Giảng viên hướng dẫn : Ths Võ Duy Thành Sinh viên thực : Nguyễn Hoàng Thạch Lớp : ĐK TĐH – K56 MSSV : 20112216 HÀ NỘI, 6-2015 Mục lục MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU .3 CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Khởi động mềm 1.2 Vấn đề đo điện áp CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Khối phân áp vào 2.2 Khối khuếch đại đo lường .7 2.3 Khối hiệu chỉnh 2.4 Khối nguồn 2.5 Mô 10 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 13 3.1 Thiết kế mạch in 13 3.2 Quá trình kiểm tra mạch 14 3.3 Kết đo với nguồn pha .15 CHƯƠNG KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1- 1: Cấu trúc khởi động mềm Hình 2- 1: Sơ đồ khối mạch đo điện áp pha Hình 2- 2: Tín hiệu cần đo tín hiệu sau biến đổi Hình 2- 3: Tín hiệu sau offset Hình 2- 4: Khối phân áp Hình 2- 5: Khối khuếch đại đo lường Hình 2- 6: Khối hiệu chỉnh Hình 2- 7: Nguồn đối xứng ±12V Hình 2- 8: Nguồn +5V .9 Hình 2- 9: Kết mơ Multisim 10 Hình 2- 10: Kết mơ multisim có nhiễu 60V, 100kHz 10 Hình 2- 11: Kết mơ proteus 11 Hình 2- 12: Kết mơ proteus có nhiễu 20V, 10kHz .12 Y Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 3333333- 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: Mạch in lớp .13 Mạch in lớp .13 Hình ảnh mạch thực .14 Các đầu chưa đặt áp vào .14 Kết pha 15 Que đo cách ly .15 Kết thực nghiệm với pha 15 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Khởi động động khởi động mềm có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động, sinh mômen khởi động đủ lớn Với khởi động mềm cần phải đo điện áp đầu vào, đầu để điều khiển cách hợp lý Ngồi ra, việc đo điện áp để giám sát, bảo vệ áp, thấp áp… Vì mục tiêu đồ án thiết kế mạch đo điện áp lưới pha (220/380V), tần số 50Hz có đầu điện áp nằm khoảng 0-5V để đưa vào vi điều khiển Đồ án thực bao gồm chương: - Chương 1: Đặt vấn đề: Trình bày khởi động mềm vấn đề đo điện áp - Chương 2: Thiết kế nguyên lý mô - Chương 3: Thực nghiệm kết - Chương 4: Kết luận Xin chân thành cảm ơn ThS Võ Duy Thành tận tâm hướng dẫn trình em thực đồ án Những kiến thức, kinh nghiệm mà thầy truyền đạt giúp em tránh khỏi bỡ ngỡ ban đầu thực thiết kế thi công mạch thực Do kiến thức hạn chế, kinh nghiệm thiếu nên đồ án tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy, cô Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Hoàng Thạch Chương 1: Đặt vấn đề CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Khởi động mềm Động điện không đồng pha phận phổ biến quan trọng thiết bị cơng nghiệp Q trình khởi động động điện xoay chiều pha trực tiếp thường liền với nhiều bất cập Trước hết mômen khởi động lớn (cỡ 1,5-2 lần mômen định mức) dẫn đến làm hỏng hóc máy móc Tiếp dòng điện khởi động lớn 7-8 lần dòng định mức động cơ, ngun nhân gây ảnh hưởng đến hệ thống điện Phương pháp khởi động sao-tam giác thiết kế để làm giảm dòng điện khởi động làm mômen tăng lên từ từ suốt q trình khởi động Tuy nhiên chưa phải phương pháp khởi động tối ưu; dùng phần tử đóng cắt có tiếp điểm, q trình khởi động nhảy cấp, có xung lực gây giật cấu xung dòng khởi động lớn Giải pháp cho vấn đề sử dụng biến đổi bán dẫn có điều chỉnh điện áp xoay chiều sở tiristo mắc song song ngược Đó khởi động mềm có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động sinh mơmen đủ lớn cho động trình khởi động Hình 1- 1: Cấu trúc khởi động mềm Cấu trúc khởi động mềm gồm phần sau: +) Mạch van Mạch van gồm cặp tiristo mắc song song ngược Mục lục +) Driver Driver có nhiệm vụ nhận điện áp điều khiển 0-10V từ tính tốn xuất xung điều khiển tiristo +) Mạch điều khiển, bảo vệ Dựa vào tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi mà tính tốn để xuất điện áp điều khiển Khi có cố xảy (quá áp, dòng…) mạch bảo vệ hoạt động +) Giao tiếp: hiển thị tham số cài đặt tham số +) Mạch đo điện áp, dòng điện (có thể ghép vào phần điều khiển khởi động mềm) Bộ khởi động mềm hoạt động sở mạch điều áp xoay chiều pha Khi thay đổi góc điều khiển α điện áp hiệu dụng tải thay đổi 1.2.Vấn đề đo điện áp Để tính tốn thời điểm phát xung cho tiristo cần biết thời điểm chuyển mạch qua khơng điện áp lưới pha Do cần phải đo điện áp pha lưới Để điều khiển cần đo điện áp phản hồi so sánh với điện áp đặt, từ qua điều khiển xuất tín hiệu điều khiển Ngồi vấn đề vừa nêu, việc đo điện áp dùng để giám sát, bảo vệ áp thấp áp… Có phương pháp đo: lấy đỉnh, tức thời - Lấy đỉnh đơn giản, tốc độ chậm, điện áp phải có dạng sin gần sin - Tức thời nhanh, phù hợp với dạng điện áp khác nhau, nhiên cần xử lý có tần số hoạt động lớn Với khởi động mềm, điện áp khơng sin Vì cần dùng phương pháp đo tức thời để đo điện áp pha Chương 2: Thiết kế nguyên lý mô CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG Từ vấn đề đặt ra, có sơ đồ tổng quan mạch đo sau: Hình 2- 1: Sơ đồ khối mạch đo điện áp pha Về mặt lý tưởng điện áp Upha=220V (hiệu dụng), nhiên với lưới thực tế ln có nhiễu Do đó, thiết kế tính với Upha=250V Với lưới điện, điện áp dao động sin quanh điểm Nếu mạch đo có tác dụng biến đổi điện áp cần đo dạng sin dao động quanh điểm chưa thỏa mãn Vì điện áp tham chiếu vi điều khiển 0-5V, nên đầu mạch đo nằm phần âm kết vi điều khiển thu ln Thế cần phải chỉnh điểm (offset) lên 2,5V Khi đó, hệ số biến đổi mạch đo cần thỏa mãn: Hình 2- 2: Tín hiệu cần đo tín hiệu sau biến đổi Chương 2: Thiết kế ngun lý mơ Hình 2- 3: Tín hiệu sau offset 2.1 Khối phân áp vào Vì cần đo điện áp theo pha nên khối phân áp vào mắc theo hình sao, điểm trung tính n Hình 2- 4: Khối phân áp Giá trị điện trở phân áp đầu vào lớn nên giảm dòng điện từ giảm cơng suất Như điện trở 220k cần dùng loại công suất 1W, điện trở 3.3k dùng loại 1/4W Hệ số biến đổi khâu phân áp vào là: 2.2.Khối khuếch đại đo lường Khối khuếch đại đo lường sử dụng khuếch đại thuật tốn (Opam) Đó kết hợp mạch lặp lại mạch khuếch đại điện áp; có ưu điểm trở kháng vào lớn, hạn Chương 2: Thiết kế nguyên lý mô chế nhiễu đồng pha, độ ổn định cao, tổng trở thấp Với ưu điểm trở kháng vào lớn mạch có tác dụng cách ly phần lực với phần điện áp thấp phía sau Hình 2- 5: Khối khuếch đại đo lường Các diode có tác dụng hạn chế điện áp đưa vào Các tụ thêm vào có tác dụng chống nhiễu cho mạch Hệ số biến đổi là: Suy hệ số biến đổi khối: thỏa mãn yêu cầu hệ số biến đổi Nhưng sau khối này, tín hiệu bị ngược pha so với điện áp cần đo 2.3 Khối hiệu chỉnh Khâu hiệu chỉnh có tác dụng hiệu chỉnh tín hiệu vào khoảng 0-5V để đưa vào vi điều khiển để xử lý Để làm điều cần có điện áp tham chiều 2,5V chuẩn Trên thị trường có LM336 TL431 có khả tạo điện áp tham chiều 2,5V chuẩn Do LM336 đắt khó mua nên dùng TL431 để thiết kế Với mạch cần xoay biến trở để đạt đầu 2,5V không tải Khi qua Opam thứ nhất, tín hiệu cộng offset lên 2,5V Khi qua Opam thứ hai, tín hiệu dạng sin đồng pha với điện áp cần đo Chương 2: Thiết kế ngun lý mơ Hình 2- 6: Khối hiệu chỉnh 2.4 Khối nguồn Các IC khuếch đại thuật toán cần nguồn cung cấp đối xứng ±12V nên khối nguồn có LM7812 để tạo điện áp +12V LM7912 để tạo điện áp -12V Do cần có biến áp đối xứng hạ từ điện áp lưới 220V, 50Hz xuống 15V, 50Hz qua chỉnh lưu Hình 2- 7: Nguồn đối xứng ±12V TL431 dùng nguồn +5V nên khối nguồn có thêm LM7805 để tạo điện áp +5V Hình 2- 8: Nguồn +5V Sau đầu nguồn có led báo nguồn 2.5 Mơ Phần mềm mô multisim hãng National Instruments, chương trình phổ biến giới thiết kế mạch điện tử Chương 2: Thiết kế nguyên lý mô Kết mô đo pha Hình 2- 9: Kết mơ Multisim Kết mơ đo pha có nhiễu cao tần (60V/100kHz) Hình 2- 10: Kết mơ multisim có nhiễu 60V, 100kHz Phần mềm mô proteus Chương 2: Thiết kế nguyên lý mô Proteus phần mềm mô mạch điện tử Labcenter Electronics, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus công cụ mô mạch số, mạch tương tự cách hiệu Kết mơ Hình 2- 11: Kết mô proteus Chương 2: Thiết kế nguyên lý mơ Hình 2- 12: Kết mơ proteus có nhiễu 20V, 10kHz Chương 3: Thực nghiệm kết CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Thiết kế mạch in Để thiết kế mạch in dùng phần mềm altium, orcard, ares (trong proteus), eagle… Phần mềm altium có thư viện lớn, hỗ trợ nhiều, đồ họa đẹp Trong trình làm đồ án, phần mềm altium dùng để thiết kế mạch in Lớp Hình 3- 1: Mạch in lớp Lớp Hình 3- 2: Mạch in lớp Hình ảnh thực Hình 3- 3: Hình ảnh mạch thực Phần điện áp cao vẽ tách riêng khơng phủ đồng 3.2 Q trình kiểm tra mạch Kiểm tra nguồn: đo thông mạch đầu vào xoay chiều, đo thông mạch +12V với GND, đo thông mạch -12V với GND, đo thông mạch +5V với GND Cắm nguồn: led sáng bình thường, tản nhiệt mát Khi khơng tải đầu 2,5V (cần xoay biến trở để đạt đầu 2,5V) Đầu pha a Đầu pha b Đầu pha c Hình 3- 4: Các đầu chưa đặt áp vào 3.3 3.4.Kết đo với nguồn pha Vì oscilloscope thiếu que đo loại nên trước tiên tiến hành đo pha để kiểm tra biên độ Pha a Pha b Pha c Hình 3- 5: Kết pha Dạng sóng sin, biên độ gần Tiếp theo dùng que đo loại que đo cách ly, để kiểm tra góc lệch pha Hình 3- 6: Que đo cách ly Kết đo với pha Hình 3- 7: Kết thực nghiệm với pha Chương 4: Kết luận CHƯƠNG KẾT LUẬN Dạng điện áp đo sin, kết khoảng 0-5V đưa vào vi điều khiển Kết có nhiễu, biên độ có chênh lệch nhỏ, tụ lọc chưa tốt, điện trở có giá trị sai số lớn Vì cần dùng tụ tốt hơn, trở có độ xác cao (trở xanh với sai số nhỏ 1%) Một số điểm cần bổ sung thiết kế mạch in: đèn báo nguồn pha, cầu đấu đưa tín hiệu Qua đồ án em nắm cách sản xuất sản phẩm thực tế: thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra mạch tối ưu mạch Mạch đo điện áp thiết kế để ứng dụng vào khởi động mềm Nhưng thiết kế dạng module nên áp dụng cho ứng dụng khác, chẳng hạn để đánh giá chất lượng điện Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh Giáo trình Điện tử cơng suất Nhà xuất Giáo dục Việt Nam 2012 [2] Nguyễn Văn Hòa (chủ biên), Bùi Đăng Thảnh, Hồng Sỹ Hồng Giáo trình Đo lường điện cảm biến đo lường Nhà xuất Giáo Dục, 2005 [3] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa, Nguyễn Thị Vân Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lí (tập 1, tập 2) Nhà xuất Giáo Dục, 2006 [4] B E Noltingk Instrumentation Reference Book (Second edition) 1995 [5] Nguyễn Trinh Đường (chủ biên), Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường Điện tử tương tự Nhà xuất Giáo Dục Việt Nam 2011 ... pha (220/380V), tần số 50Hz có đầu điện áp nằm khoảng 0-5V để đưa vào vi điều khiển Đồ án thực bao gồm chương: - Chương 1: Đặt vấn đề: Trình bày khởi động mềm vấn đề đo điện áp - Chương 2: Thiết... mềm mô mạch điện tử Labcenter Electronics, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus công cụ mô mạch số,