Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi dc ac chất lượng cao

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thể đề tài riêng tôi, không chép đề tài khác, sai tơi hồn toàn chịu trách nhiệm chịu kỷ luật khoa nhà trường đề Thái nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển giúp đỡ dìu dắt tận tình thầy suốt trình em thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Minh bảo thầy vấn đề kỹ thuật mà em gặp phải Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo Khoa điện, trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, Nhà giáo truyền dạy cho em kiến thức quý báu suốt thời gian qua Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện động viên tơi hồn thành đề tài Do thời gian hồn thành đề tài có hạn, nên khó tránh khỏi khiếm khuyết Em mong động viên đóng góp ý kiên thầy cô giáo Thái Nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ khối chuyển đổi DC-AC Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu mơt pha có điểm giữa…… Hình 1.4: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp pha dạng cầu ……………………………….7 Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mơ (MODIRED SINE WAVE), sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)……………………………… Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo tín hiệu sin PWM ………………………………… …9 Hình 1.7a: Ngun lý điều chế theo mẫu; thay hình sin nấc thang………10 Hình 1.7b: Điều chế đối xứng …………………………………………………… 10 Hình 1.7c: Điều chế khơng đối xứng …………………………………………… 11 Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản mạch cầu H sử dụng Mosfet làm cơng tắc ……… 11 Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy … …………………………………………………… 12 Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8………………………………………….… 16 Hình 1.11: Sơ đồ khối Atmega8……………………………………………… ….18 Hình 1.12: Cấu trúc nhớ AVR………………………………………………….19 Hình 1.13: Timer/Counter1……………………………………………………… 22 Hình 1.14: Thanh ghi TCCR1A ……………………………………………… 23 Hình 1.15: Thanh ghi TCCR1B .23 Hình 1.16: Thanh ghi OCR1A 24 Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B 24 Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK 24 Hình 1.19: Thanh ghi TIFR .25 Hình 1.20: Ví dụ tín hiệu PWM……………………………………………… 26 Hình 1.21: Các mốc giá trị T/C1………………………………………………26 Hình 1.22: Dạng ngõ chế độ Fast PWM……………………………………… 27 Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A TCCR1B…………………………………… 27 Hình 1.24: Fast PMW mode 14…… …………………………………………… 28 Hình 1.25: Cấu trúc ghi SREG .30 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Hình 1.26: Cấu trúc ghi ADMUX………………………………………… 31 Hình 1.27: Cấu trúc ghi ADCSRA………………………………… …… 32 Hình 1.28: Cấu trúc ghi ADCH…………………… ………………………34 Hình 1.29: Cấu trúc ghi ADCL…… …………………………………… 34 Hình 1.30: Cấu trúc ghi ADCSRB 34 Hình 2.1: Đặt ngõ vào, chân VĐK…………………………… 38 Hình 2.2: Hình ảnh sơ đồ chân LM7805+LM7812 ………………………… 39 Hình 2.3: Mạch LM7805 tạo 5v…………………………………………….… 39 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn……………………………………… ….39 Hình 2.5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại) 40 Hình 2.6: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ 41 Hình 2.7: Mạch phản hồi điện áp 41 Hình 2.8: Sơ đồ mạch bảo vệ nhiệt độ BBĐ .42 Hình 2.9: Mạch bảo vệ tải 43 Hình 2.10: Các đèn led 44 Hình 2.11: Hệ thống cịi báo hiệu 44 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ………………………………………………….45 Hình 2.13: Mạch in ……………………………………………………………… 46 Hình 2.14: Sơ đồ khối tín hiệu vào, ra…………………………………… … 46 Hình 2.15: Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển………………………………… 47 Hình 2.16: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính………………………………….48 Hình 2.17.Sơ đồ thuật tốn khối bảo vệ q dịng điện tải………………… 49 Hình 2.18: Chương trình ngắt Timer1…………………………………………49 Hình 2.19: Chương trình ngắt Timer0…………………………………………49 Hình 2.20: Chương trình ngắt ADC……………………………………………… 50 Hình 2.21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện…………………………………………51 Hình 2.22: IC Atmega8 chân đế……………………………………………… 51 Hình 2.23: IC khuếch đại thuật tốn LM393N…………………………………….51 Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet cơng suất IRF3205………………………………… 52 Hình 2.25: Tranzitor 2SC2383 2SA1013…………………………………… 52 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v Hình 2.26: Đi ốt chỉnh lưu ốt ổn áp………………………………………… 52 Hình 2.27: Hình ảnh tụ điện…………………………………………………….52 Hình 2.28: Hình ảnh Jắc cắm mạch………………………………………53 Hình 2.29: Hình ảnh rơ le chân………………………………………………… 53 Hình 2.30: Điện trở……………………………………………………………… 53 Hình 2.31: Quạt làm mát………………………………………………………… 53 Hình 2.32a: Phía mạch điện…………………………………………… 54 Hình 2.32b: Phía mạch điện………………………………………………54 Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện………………………… 55 Hình 2.34: Biến áp phản hồi dịng điện……………………………………………55 Hình 2.35: Tơn silic làm biến áp cơng suất……………………………………… 55 Hình 2.36: Khung biến áp…………………………………………………… 56 Hình 2.37: Cuộn dây biến áp cơng suất……………………………………….56 Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng……………………………………………………….57 Hình 3.2: Địng hồ đo R,L,C 58 Hình 3.3: Máy sóng (Oscilloscope) 59 Hình 3.4: Kết nối mạch lưc…………….……… 59 Hình 3.5: Điện áp tải 220V………………………………………………60 Hình 3.6 Dạng sóng dịng điện tải……………………………………… 60 Hình 3.7: Dạng sóng điện áp khơng tải……………………………… 61 Hình 3.8: Dạng sóng tải, tải bóng đèn sợi đốt cơng suất 300W…… 61 Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.8……………………………… 62 Hình 3.10: Dạng sóng tải, tải 02 bóng đèn tp…………………… 62 Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.10…………………………… 63 Hình 3.12: Dạng sóng tải, tải 02 quạt điện………………………… 63 Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.12…………………………… 64 Hình 3.14: Hình chụp chu kỳ, dạng sóng hình 3.12…………………………64 Hình 3.15: Chụp BBĐ từ xuống………………………………………………65 Hình 3.16: Chụp mặt trước BBĐ………………………………………………65 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi MỤC LỤC Trang Mở đầu: ………………………………………………………………….………01 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BBĐ… ………… …………………….……….04 1.1 Khái niệm chung BBĐ…………………………………………… ……….04 1.1.1.Khái niệm…………………………………………………………… …… 04 1.1.2.Phân loại công dụng ….…….…………………………………… …… 04 1.1.3.Sơ đồ khối nhiệm vụ khối………………………………….…….….04 1.1.4.Nguyên lý làm việc BBĐ……………………………………… 05 1.2 Nguyên lý làm việc khối BBĐ………………………….….….05 1.2.1.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu……………………………….…….… 05 1.2.1.1 Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu dòng pha ………………… …05 1.2.1.2.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu pha có điểm giữa……………….…06 1.2.1.3.Nguyên lý nghịch lưu pha dạng cầu………………………………….….07 1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển nghịch lưu………………………….……07 1.2.1.5.Mạch công suất nghịch lưu dạng cầu H……………………………11 1.2.2.Nguyên lý làm việc khối nguồn DC….…………………….……………11 1.2.2.1.Giới thiệu chung Ắc quy………………………………….…… …… 11 1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN:4472:93………………………….…………….12 1.3 Giới thiệu Atmega8………………………………………….… ……… 15 1.3.1.Tổng quan Atmega8 ……………………………… …….…………….15 1.3.2.Sơ đồ khối Atmega8……………………………………….…………….18 1.3.3.Cấu trúc nhớ………………………………………………….………… 19 1.3.4.Timer/Counter Atmega8 cách sử dụng………………….………….20 1.3.4.1.Giới thiệu Timer/Counter…………………………………….…………20 1.3.4.2.Sử dụng Timer/Counter………………………………………….…………21 1.3.4.3.Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)…………………………………… ….27 1.3.5.Ngắt sử dụng ngắt Atmega8……………………………………… 29 1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số Atmega8……….……………….30 1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái điều khiển ADC ADCSRA………………… … 32 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii 1.3.6.2.Thanh ghi liệu chuyển đổi ADC – ADCH ADCL….……… 33 1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái điều khiển ADC ADCSRB………………… … 34 1.3.7.Các ghi PORT xuất nhập………………………………………………35 1.3.7.1.Giới thiệu chung…………………… …………………………………….35 1.3.7.2.Các chân Port dùng chân I/O số thông thường… ……………….36 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… …………………… 37 2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….………………37 2.1.1.Thiết kế phận tổng hợp, xử lý điều khiển BBĐ…………………… 37 2.1.2.Thiết kế khối nguồn cho VĐK…………………………….……………… 39 2.1.3.Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)…………………………………….40 2.1.4.Mạch đo điện áp vào…………………………………………………………41 2.1.5.Mạch phản hồi điện áp……………………………………………………….41 2.1.6.Mạch bảo vệ nhiệt độ……………………………………………………42 2.1.7.Mạch bảo vệ tải………………………………………………………….43 2.1.8.Mạch hiển thị……………………………………………………… …… 44 2.1.9.Lựa chọn biến áp…………………………………………………………… 45 2.1.10.Sơ đồ nguyên lý mạch in……………………………………………… 45 2.1.10.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện………………………………………………45 2.1.10.2.Mạch in sau thiết kế………………………………… …………… 46 2.2.Lưu đồ thuật tốn………………………………………………………………46 2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra…………………………………… …………… 46 2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khển…………………………………………47 2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển…………………………………………………48 2.2.4.Lưu đồ thuật tốn chương trình bảo vệ q dịng điện tải…………… 49 2.2.5.Chương trình ngắt Timer1, Timer0 ADC…………………………………49 2.3.Chế tạo BBĐ…………………………………………………… …………….50 2.3.1.Công tác chuẩn bị…………………………………………………………….50 2.3.2.Lắp ráp mạch điện……………………………………………………………50 2.3.3.Chế tạo biến áp BBĐ… ………………………………………………….…55 2.3.3.1.Biến áp phản hồi dịng điện……………………………………………… 55 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii 2.3.3.2.Biến áp công suất………………………………………………………… 55 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BBĐ………………………………… 57 3.1.Thiết bị kiểm tra……………………………………………………………… 57 3.1.1 Đồng hồ vạn năng………………………………………………………… 57 3.1.2.Đồng hồ đo R,L,C……………………………………………………………58 3.1.3.Máy sóng (Oscilloscope) 59 3.2.Kết thực nghiệm 59 3.3.Hướng phát triển .66 Tài liệu tham khảo 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 Hình 2.34: Biến áp phản hồi dịng điện 2.3.3.2 Biến áp Cơng suất - Hình ảnh vật liệu chế tạo Hình 2.35: Tơn silic làm biến áp cơng suất + Chiều rộng tôn silic ký hiệu a: a = 4cm + Chiều dày ghép tôn silic, ký hiệu b: b = 6,5cm + Diện tích lõi thép ký hiệu S : S = a x b = 26 cm2 Hình 2.36: Khung biến áp - Hình ảnh cuộn dây máy biến áp sau chế tạo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 Hình 2.37: Cuộn dây biến áp cơng suất CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BBĐ 3.1 Thiết bị để kiểm tra 3.1.1 Đồng hồ đo điện áp tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 Hình 3.1: Đồng hồ vạn văng - Công dụng đồng hồ vạn năng; + Thiết bị đo điện áp, dòng điện xoay chiều chiều + Kiểm tra linh kiện: Điện trở, tụ điện, ốt + Đo tần số đo thông mạch 3.1.2 Đồng hồ đo L,R,C Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 Hình 3.2: Địng hồ đo R,L,C Công dụng: Dùng để kiểm tra điện trở, điện cảm tụ điện 3.1.3 Máy sóng Cơng dung; dùng để kiểm tra dạng sóng tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 Hình 3.3 Máy sóng (Oscilloscope) Ngồi thiết bị cịn có số dụng cụ, thiết bị phụ trợ khác 3.2 Kết thực nghiệm - Đề tài hồn thành việc tính tốn, thiết kế phần cứng xây dựng thuật toán điều khiển phần nghịch lưu BBĐ từ 12v thành 220v xoay chiều sin, BBĐ có cơng suất 500W, tần số điện áp 55Hz Sau hình ảnh thực tế kết sau thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 63 Hình 3.4 Kết nối mạch lực Hình 3.5: Điện áp khơng tải 220V - Dạng sóng tải: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 64 Hình 3.6 Dạng sóng điện áp tải * Hình ảnh dạng sóng đo thực tế BBĐ - Dạng sóng điện áp khơng tải Hình 3.7: Dạng sóng điện áp khơng tải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 65 - Dạng sóng điện áp ra, tải bóng đèn sợi đốt 300W Hình 3.8: Dạng sóng điện áp tải bóng sợi đốt 300W Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 66 Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.8 - Dạng sóng điện áp ra, tải 02 bóng đèn tuýp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 67 Hình 3.10: Dạng sóng điện áp ra, tải 02 đèn Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.10 - Dạng sóng tải tải 02 quạt điện (02 x 45W/cái) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 68 Hình 3.12: Dạng sóng điện áp tải, tải 02 quạt điện Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng hình 3.12 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 69 Hình 3.14: Hình chụp chu kỳ dạng sóng hình 3.12 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 70 Hình 3.15: Chụp BBĐ từ xuống Hình 3.16: Chụp mặt trước BBĐ * Nhận xét: - Điện áp 220V, tần số 55Hz dạng sóng dạng sin (có độ méo nhỏ), hồn tồn đáp ứng với tải thiết bị điện dân dụng - Vận hành thử nghiệm BBĐ, với tải 02 quạt điện, hoạt động liên tục thời gian 5h, kết là: Quạt chạy êm không gây tiếng ồn khơng phát nóng - Điện áp tải ln ổn định có phản hồi điện áp - Bảo vệ tải mạch vòng phản hồi dòng điện, có tượng q tải xảy ngắt xung PWM Bảo vệ ngắn mạch đầu dùng cầu chì - Bảo vệ nhiệt độ cho BBĐ quạt - Bảo vệ điện áp vào cao hay thấp mạch đo điện áp - Tần số tải 55 Hz phù hợp với thiết bị điện Việt Nam * Kết luận: Từ kết thực nghiệm trên, nói em hoàn thành việc thiết kế phần cứng BBĐ DC-AC Với điện áp ổn định 220v, tần số 55Hz Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 71 sóng sin (có độ méo nhỏ), hồn tồn đáp ứng với thiết bị dân dụng Tuy nhiên cung cấp điện áp cho thiết bị chuyên dụng, thiết bị yêu cầu chất lượng điện áp cao hơn, cần phải thiết kế thêm mạch lọc 3.3 Hƣớng phát triển - Phát triển thành inverter dùng gia đình - Có thể phát triển thành thí nghiệm dùng giảng dạy học tập môn; Điện tử công suất, Vi điều khiển - Nếu tích hợp mạch nạp cho IC VĐK bo mạch chính, để thay đổi nội dung chương trình phần mềm, mục đích để thay đổi tần số điện áp tải sử dụng biến tần pha TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ (1992- Biên dịch), Máy điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Huỳnh Văn Kiểm Bài giảng tóm tắt môn điện tử công suất [4] Trần Xuân Minh Nguyễn Như Hiển: Tổng hợp hệ điện - NXB Giáo Dục Việt Nam (2011) [5] Nguyễn Văn Nhờ (2008) Điện tử công suất NXB Đại học quốc gia TPHCM [6] Tiêu chuẩn ắc quy, TCVN 4472 – 1993 [7] www.vft.com.vn mục “Bộ nghịch lưu sin sử dụng điều chế độ rộng xung PWM” gửi ngày 12/10/2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 72 [8] www.Alldatasheet.com Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... sử dụng để tài Những kiến thức cần thiết cho việc thiết kế mạch phần cứng lập trình chương CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI Thiết kế chế tạo biến đổi điện áp 12v chiều, thành điện áp... lưới sử dụng pin lượng mặt trời nên em chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo biến đổi DC- AC chất lƣợng cao? ?? cần thiết Mục đích nghiên cứu Hiện nay, thị trường Việt Nam có nhiều chủng loại... ADCH ADCL R R 0 Hình 1.28 Cấu trúc ghi ADCH Bit ADLAR=1 15 14 13 12 11 10 ADC9 ADC8 ADC7 ADC6 ADC5 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0 - R R Giá trị đầu; 0 Đọc/ghi R R 0 R R 0 R R 0 R R 0 R R 0 R R 0 ADCL