Luận văn thiết kế, chế tạo RƠLE tự động hoà đồng bộ chính xác dùng vi điều khiển

luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC NÔNG NGHIệP Hà NộI ---------- NGUYN TIN V THIT K, CH TO RLE T NG HềA NG B CHNH XC DNG VI IU KHIN LUN VN THC S K THUT Chuyờn ngnh: in khớ hoỏ sn xut nụng nghip v nụng thụn Mó s : 60 52 54 Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRN HOI LINH H NI - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng ñược sử dụng và công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Vũ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn này tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của tập thể các thầy giáo, cô giáo trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội, các ñồng nghiệp tại trường Cao ñẳng nghề Cơ khí nông nghiệp cùng các bạn học viên lớp cao học ñiện K17 trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, ñặc biệt là sự giúp ñỡ của Thầy hướng dẫn. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. TSKH Trần Hoài Linh ñã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện ñề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Cơ ñiện trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã nhiệt tình giúp ñỡ và cho những ý kiến quý báu giúp tôi trong quá trình thực hiện ñề tài. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh ñạo Khoa ðiện và các ñồng nghiệp trong Khoa ðiện trường cao ñẳng nghề Cơ khí nông nghiệp, ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tôi thực hiện ñề tài. Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp ñỡ tận tình của PGS Nguyễn Bình Thành trường ðại học Bách Khoa Hà Nội cùng KS Phạm Duy Quyết – GV Khoa ðiện trường Cao ñẳng nghề cơ khí nông nghiệp ñã cộng tác và giúp ñỡ tôi hoàn thành ñề tài. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù ñã có nhiều cố gắng xong do thời gian có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Tôi rất mong nhận ñược sự góp ý kiến chân thành của các Thầy cô và bạn bè, ñồng nghiệp. Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Vũ Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các hình vi Chương 1 MỞ ðẦU 1 1.1 ðặt vấn ñề 1 1.2 Mục tiêu của ñề tài 2 Chương 2 TÌM HIỂU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÒA ðỒNG BỘ 3 2.1 Các ñiều kiện hòa ñồng bộ máy phát ñiện 3 2.1.1 ðiều kiện về tần số 3 2.1.2 ðiều kiện về ñiện áp 4 2.1.3 ðiều kiện về Pha 4 2.1.4 ðồng vị pha trong hai hệ thống lưới 5 2.2 Xác ñịnh thời ñiểm hòa các máy phát ñồng bộ 5 2.2.2 Các phương án truyền thống: 7 2.2.3 Phương án ñược ñề xuất 8 2.3 Một số sơ ñồ hòa ñồng bộ phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới 8 2.3.1 Hòa ñồng bộ máy phát vào thanh cái 8 2.3.2 Hòa ñồng bộ máy phát vào lưới thông qua máy biến áp 9 2.3.3 Hòa ñồng bộ máy phát ñiện hạ áp bằng tay 13 2.3.4 Sơ ñồ hòa ñồng bộ dùng rơ le – ñược ñề xuất 15 Chương 3 LỰA CHỌN VI ðIỀU KHIỂN 17 3.1 Tổng quan lựa chọn vi ñiều khiển 17 3.1.1 Nhiệm vụ của vi ñiều khiển 17 3.1.2 Giới thiệu về vi ñiều khiển họ MSC-51 17 3.1.3 Cấu trúc bên trong vi ñiều khiển: 21 3.1.4 Giới thiệu tập lệnh của 8051: 29 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . iv 3.3 Giới thiệu họ vi ñiều khiển AVR, loại ATMEGA8535 33 3.3.1 Tổng quan vi ñiều khiển AVR, loại ATMEGA8535 33 3.3.2. Cổng vào ra song song 34 3.3.3 Cấu trúc bộ nhớ 37 3.3.4. Một số thanh ghi của AVR ATMEGA8535: 38 3.3.5. Timer/Counter của AVR ATMEGA8535 41 3.3.6. Watchdog Timer của AVR ATMEGA8535 43 3.3.7. Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI 43 3.3.8 Bộ thu phát nối tiếp dị bộ vạn năng UART 45 3.3.9 Bộ so sánh tương tự 46 3.3.10 Bộ biến ñổi ADC của AVR ATMEA8535 47 Chương 4 SƠ ðỒ KHỐI VÀ THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 51 4.1 Sơ ñồ khối 51 4.2 Thiết kế phần cứng 51 4.2.1 Mạch ño và chuẩn hoá ñiện áp lưới và ñiện áp máy phát. 51 4.2.2 Mạch ño và chuẩn hoá tần số lưới và tần số máy phát, ño góc lệch pha ∆ ∆∆ ∆ϕ ϕϕ ϕ 52 4.2.3 Mạch nguồn 56 4.2.4 Mạch hiển thị votl kép và tần số kép (vi ñiều khiển 2) 59 4.2.5 Mạch hiển thị góc lệch pha 63 4.2.6 Khối ngoại vi ( Phím, LCD, RTC) 67 4.3 Thiết kế bàn thí nghiệm về rơ le hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển 72 Chương 5 LƯU ðỒ PHẦN MỀM VÀ CHƯƠNG TRÌNH ðIỀU KHIỂN 73 5.1 Lưu ñồ phần mềm 73 5.1.1 Lưu ñồ phần mềm của vi ñiều khiển 1 73 5.1.2 Lưu ñồ chương trình truyền bản tin của VðK1: 74 5.1.3 Lưu ñồ chương trình nhận bản tin của vi ñiều khiển 1: 75 5.1.4 Các lưu ñồ phần mềm của Vi ñiều khiển 2 76 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . v 5.2 Chương trình ñiều khiển 82 5.2.1 Chương trình cho Vi ñiều khiển 1 82 5.2.2 Chương trình cho vi ñiều khiển 2 82 Chương 6 THỬ NGHIỆM, ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ THIẾT KẾ 83 6.1 Thử nghiệm 83 6.1.1 Kiểm tra phần cứng 83 6.1.2 Kiểm tra phần mềm 84 6.1.3 Kiểm tra tổ hợp 84 6.2 ðánh giá kết quả thiết kế 84 KẾT LUẬN VÀ CÁC ðỀ XUÂT MỞ RỘNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . vi DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang 2.1 ðiện áp phách u s , U s (a) và giản ñồ véc tơ (b). 6 2.2 Xác ñịnh thời ñiểm hòa theo góc vượt trước không ñổi ( δtr = const ) 7 2.3 Xác ñịnh thời ñiểm hòa theo thời gian trước không ñổi ( t tr = const ) 8 2.4 Sơ ñồ hòa ñồng bộ máy phát vào thanh cái 9 2.5 Sơ ñồ hòa ñồng bộ máy phát vào lưới thông qua MBA ñấu nối sao / tam giác 1 giờ 10 2.6 Sơ ñồ hòa ñồng bộ máy phát vào lưới thông qua MBA ñấu nối sao/tam giác 1 giờ 11 2.7 Sơ ñồ hòa ñồng bộ máy phát vào lưới thông qua MBA ñấu nối sao / tam giác 11 giờ 12 2.9 Sơ ñồ khối Hệ thống hoà ñồng bộ 15 3.1 Sơ ñồ chân IC AT89C51 18 3.2 Bảng tóm tắt các vùng nhớ 8951 21 4.1 Sơ ñồ khối phần cứng rơ le hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển 51 4.2 Sơ ñồ khối mạch ño và chuẩn hóa ñiện áp 51 4.3 Mạch ño và chuẩn hóa ñiện áp lưới và ñiện áp máy phát 52 4.4 Sơ ñồ khối mạch ño chu kỳ T của ñiện áp 52 4.5 Mạch ño chuẩn hóa tần số lưới và tần số máy phát 53 4.6 ðồ thị dạng xung ñiện áp máy phát và ñiện áp lưới sau mạch - chuẩn hóa 54 4.7 Sơ ñồ khối mạch ño góc lệch pha ∆ϕ 55 4.8 ðồ thị dạng xung U B , U G , góc lệch pha ∆ϕ 55 4.9 Mạch nguồn rơ le hòa ñồng bộ 56 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . vii 4.10 Hình ảnh lớp trên của mạch in khối nguồn, khối mạch ño và chuẩn hóa ñiện áp lưới, ñiện áp máy phát, khối mạch ño và chuẩn hóa tần số lưới, tần số máy phát 57 4.11 Hình ảnh lớp dưới của mạch in khối nguồn, khối mạch ño và chuẩn hóa ñiện áp lưới, ñiện áp máy phát, khối mạch ño và chuẩn hóa tần số lưới, tần số máy phát 58 4.12 Hình ảnh mạch thực tế khối nguồn, khối ño và chuẩn hóa ñiện áp lưới, ñiện áp máy phát, khối ño vầ chuẩn hóa tần số lưới, tần số máy phát 59 4.13 Mạch hiển thị Votl kép và Tần số kép (Vi ñiều khiển 2) 60 4.14 Hình ảnh lớp trên của mạch in khối hiển thị Votl kép và Tần số kép 61 4.15 Hình ảnh lớp dưới của mạch in khối hiển thị Votl kép và Tần số kép 62 4.16 Hình ảnh mạch thực tế khối hiện thị ñiện áp lưới, ñiện áp máy phát, tần số lưới, tần số máy phát 63 4.17 Mạch hiển thị góc lệch pha 64 4.18 Hình ảnh mạch in lớp trên của mạch hiển thị góc lệch pha 65 4.19 Hình ảnh mạch in lớp dưới của mạch hiển thị góc lệch pha 66 4.20 Mạch thực tế khối hiển thị góc lệch pha 67 4.21 Sơ ñồ ghép nối bàn phím 69 4.22 Sơ ñồ ghép nối VXL với LCD 69 4.23 Mạch tổng của rơ le hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển 71 4.24 Mạch thí nghiệm rơ le hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển 72 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . 1 Chương 1 MỞ ðẦU 1.1. ðặt vấn ñề ðiện năng là một dạng năng lượng rất quan trọng ñối với nền kinh tế quốc dân. Việc cung cấp ñiện năng ổn ñịnh và liên tục là một ưu cầu tất yếu. Năng lượng ñiện ñược sản xuất tập trung tại các nhà máy ñiện, năng lượng ñiện từ các nhà máy ñiện phát ra ñược hoà vào mạng lưới ñiện và ñược truyền tải ñến từng hộ tiêu thụ ñiện. Các tổ máy phát ñiện của các nhà máy ñiện hoà ñược vào mạng ñiện thông qua hệ thống hòa ñồng bộ. Hệ thống hòa ñồng bộ trước ñây ở các nhà máy ñiện của Việt Nam ñều do Liên Xô, các nước ðông Âu hoặc Trung Quốc chế tạo. Những năm 1950, thiết bị hòa ñổng bộ ñược ñiều khiển bằng các tổ hợp Rơle, Aptomat, Contactor và ñiều khiển bằng tay. ðến những năm 1960-1970 thì hệ hòa ñổng bộ ñiện áp bắt ñầu ñược thực hiện bằng kỹ thuật số. Cho ñến nay cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, công nghệ số ngày càng trở nên phổ biến thì các thiết bị hòa ñồng bộ sử dụng kỹ thuật số cũng ñang dần thay thế những kỹ thuật trước kia. Các hệ thống hòa ñồng bộ sử dụng các tổ hợp rơle, aptomat, contactor và ñiều khiển bằng tay trên bộc lộ nhiều nhược ñiểm: - Cồng kềnh, phức tạp về cơ khí, ñộ tin cậy thấp do phụ thuộc vào chủ quan của người vận hành - Việc sửa chữa, bảo dưỡng phức tạp, chi phí lớn, kéo dài thời gian - Khả năng bảo vệ khỏi các sự cố thấp Từ những năm sau 1970, thế giới ñã sử dụng công nghệ số ñể sản xuất các hệ thống hòa ñộng bộ. Việc thay thế, hiện ñại hóa thiết bị cũ bằng vi mạch là hoàn toàn hợp lý vì những lý do: - Nâng cao ñộ chính xác, ñộ tin cậy của thiết bị. - Bền, gọn, nhẹ. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp . 2 - Có thể tự ñộng chọn ñược chế ñộ và các thông số vận hành tối ưu cho máy phát. - Việc bảo dưỡng và sủa chữa ñơn giản hơn. Tuy nhiên hệ thống hòa ñồng bộ do nước ngoài sản xuất những năm gần ñây khi áp dụng vào ñiều kiện thực tế của Việt Nam cũng ñã bộc lộ một số nhược ñiểm sau: - Chúng ta không chủ ñộng ñược về mặt công nghệ. - Giá thành cao - Chi phí bảo trì, bảo dưỡng lớn do phải phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài. Vấn ñề ñặt ra là phải thiết kế chế tạo thành công rơ le hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển, ứng dụng ñược tiến bộ khoa học - kỹ thuật của thời ñại 1.2. Mục tiêu của ñề tài Nhằm khắc phục những khó khăn trên, cũng như mong muốn ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ mới, nhất là kỹ thuật vi ñiều khiển vào ñiều khiển các thiết bị, các dây truyền công nghệ ở Việt Nam. Tiến tới chiếm lĩnh kỹ thuật công nghệ mới và làm chủ ñược các hệ thống ñiều khiển tiên tiến, PGS, TSKH Trần Hoài Linh ñã hướng dẫn tôi thực hiện ñề tài: "Thiết kế, chế tạo rơle tự ñộng hòa ñồng bộ chính xác dùng vi ñiều khiển". Mục ñích ñề tài: - Thiết kế, chế tạo mô hình rơle hoà ñộng hòa ñồng bộ chính xác, dùng vi ñiều khiển phục vụ làm mô hình thiết bị dạy thực hành môn học vi xử lý tại trường Cao ñẳng nghề Cơ khí nông nghiệp (Bình xuyên – Vĩnh Phúc) - Ứng dụng sản xuất một rơ le hòa ñồng bộ chính xác cho 1 tổ máy phát gồm 2 máy công suất ñến 1MVA