Nghiên cứu thiết kế thiết bị inverter 50hz chuẩn sóng sin trong hệ thống ATS

LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, em nhận nhiều giúp đỡ trau dồi kiến thức quý thầy cô giáo thời gian thực đề tài tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Điện tử viễn thông quý thầy cô khoa Điện – Điện tử hướng dẫn giảng dạy em suốt trình học tập Em xin cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu tận tình, chu đáo bảo em trình làm hồn thiện đề tài Em sâu tìm hiểu phần biến đổi lượng chiều lượng xoay chiều mà cụ thể mạch kích điện áp 12V chiều(DC) lên điện áp 220V xoay chiều(AC) công suất 400W Đề tài em hồn thành, khơng tránh khỏi sai sót định Em mong nhận góp ý thầy giáo, cô giáo bạn để đề tài tốt nghiệp em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, tháng 11, năm 2015 Sinh viên thực đề tài Nguyễn Huy Hồng i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan : Những nội dung luận văn thực hiên giám sát hướng dẫn trực tiếp hai thầy Ngô Xuân Hường Vũ Xuân Hậu Mọi tham khảo luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian địa điểm cơng bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ INVERTER TRONG HỆ THỐNG ATS .2 1.1 Giới thiệu hệ thống ATS 1.1.1.Quy cách chọn tủ ATS: .2 1.1.2 Phân loại: 1.1.3 Ưu điểm nhược điểm: 1.1.4 Chức hoạt động tủ ATS: 1.2 Giới thiệu kích điện (Inverter) hệ thống ATS: 1.2.1 Chức Inverter: 1.2.2 Ưu điểm ứng dụng Inverter 1.2.3 Nguyên lý hoạt động: 1.3 Họ vi điều khiển AVR 1.3.1 Tìm hiểu cấu tạo bên AVR 1.3.2 Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc AVR 1.4 Các thiết bị linh kiện hỗ trợ 1.4.1 Đèn báo 1.4.2 nút emergency stop 10 1.4.3 công tắc chuyển mạch pha 10 1.4.4 công tắc tơ 10 1.4.5 ắc quy .11 1.4.6 Các linh kiện hỗ trợ 11 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẠCH 13 iii 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch Inverter 13 2.2 Phân tích khối mạch nguyên lý .14 2.3 Mạch động lực 18 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MẠCH 21 3.1 Phân tích cách tạo sóng sin 50Hz 21 3.3 Chương trình chạy Inverter .26 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình 26 3.3.2 Chương trình tạo xung 50Hz 27 3.4 Hoàn thiện sản phẩm 28 3.4.1 Modul điều khiển .28 3.4.2 Nạp chương trình cho vi điều khiển .28 3.4.3 Hệ thống sau hoàn thiện 36 3.4.4 Đánh giá khảo sát thực tế 39 KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống ATS 1.2 Sơ đồ bên biến tần Inverter 1.3 Sơ đồ chi tiết mạch điện Inverter 1.4 Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc AVR 1.5 Cấu trúc ghi 1.6 Cấu trúc nhớ AVR 1.7 Đèn báo 1.8 Emergency stop button 10 1.9 Công tắc chuyển mạch pha 10 1.10 Công tắc tơ 10 1.11 Ắc quy 11 1.12 Tụ gốm 11 1.13 Tụ hóa 11 1.14 Điện trở 12 1.15 Đèn LED 12 1.16 Nút ấn 12 2.1 Sơ đồ khối kích xung 13 2.2 Sơ đồ khối tín hiệu đầu vào 14 2.3 Sơ đồ khối tạo dao động 50Hz 15 2.4 Sơ đồ khối trung tâm điều khiển hệ thống ATS 15 2.5 Sơ đồ khối tạo xung 50Hz 16 2.6 Sơ đồ khối điều khiển acquy 17 2.7 Sơ đồ biến áp đầu vào lưới 17 2.8 Sơ đồ mạch động lực 19 v 3.1 Sóng sin chuẩn chùm xung vuông đối xứng 21 3.2 Cách tạo sóng sin 50Hz 22 3.3 Tạo file chương trình 22 3.4 Chọn loại chip để lập trình 23 3.5 Chọn chip 23 3.6 Chọn tần số xung 24 3.7 Chọn tần số cho Timer 24 3.8 Giao diện chương trình 25 3.9 Lưu đồ thuật tốn chương trình Inverter 26 3.10 Lưu đồ thuật tốn chương trình tạo xung 50Hz 27 3.11 Mạch điều khiển Inverter 28 3.12 Giao diện phần mềm nạp chip 29 3.13 Kết nối mạch nạp với máy tính 30 3.14 Kết nối mạch nạp với PIC/dsPIC 30 3.15 Mở file 31 3.16 Kết nối mạch nạp với AT89S,AVR EEPROM 32 3.17 Thao tác ghi Fuse 33 3.18 Nạp xong 33 3.19 Ghi Fuse chạy thạch anh 8MHz 34 3.20 Nạp thành cơng 35 3.21 Hình ảnh mạch nạp chip Burn-E 35 3.22 Mặt trước hệ thống ATS 36 3.23 Mặt cánh hệ thống ATS 37 3.24 Toàn bên hệ thống ATS 38 3.25 Điều thơng số Oscilloscope 39 3.26 Dạng tín hiệu sin chuẩn đầu điện lưới 39 3.27 Tín hiệu sin đầu hệ thống ATS 40 vi 3.28 Đo điện áp đồng hồ số 41 3.29 Đo điện áp dồng hồ kim 41 vii LỜI NÓI ĐẦU Trong sống đại nay, nhu cầu sử dụng điện lớn cần thiết Ta sử dụng điện để chiếu sáng, để trì hoạt động cho thiết bị máy móc, để phục vụ thơng tin liên lạc Câu hỏi đặt làm để có nguồn điện ổn định phục vụ tối đa nhu cầu cần sử dụng Các biện pháp đặt sử dụng nguồn điện dự phịng phổ biến, tơi đưa giải pháp biến đổi nguồn dự phòng chiều(DC) acquy thành nguồn điện xoay chiều(AC) có chất lượng có cơng suất đủ lớn để sinh hoạt sản xuất Mục tiêu luận “Nghiên cứu thiết kế thiết bị Inverter 50Hz chuẩn sóng sin hệ thống ATS” với nội dung sau: Chương 1: Cở sở lý thuyết thiết bị Inverter hệ thống ATS Chương 2: Thiết kế phần cứng cho mạch Chương 3: Thiết kế phần mềm cho mạch CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ INVERTER TRONG HỆ THỐNG ATS 1.1 Giới thiệu hệ thống ATS - “ATS (Automatic Transfer Switch) chuyển đổi nguồn tự động từ nguồn sang nguồn khác (Ví dụ: Chuyển từ dùng điện lưới sang dùng điện từ máy phát điện ắc quy điện lưới) - Ngoài ra, hệ thống chuyển đổi nguồn tự động (ATS) có chức bảo vệ điện lưới gặp cố như: pha, trung tính hay thấp áp ” 1.1.1.Quy cách chọn tủ ATS: -Thứ nhất: Phù hợp với công suất máy -Thứ hai: Bảo đảm yêu cầu tính điều khiển 1.1.2 Phân loại: Khi phân loại hệ thống ATS theo loại khí cụ điện động lực đóng cắt, ta có loại chính:  ATS dùng contactor cực hay cực  ATS dùng loại Change over switch hay Motorized CB  ATS dùng ACB (máy cắt khơng khí) 1.1.3 Ưu điểm nhược điểm:  a ATS dùng contactor:  Ưu điểm: giá thành thấp, kết cấu gọn nhẹ dễ dàng điều khiển  Nhược điểm: gây tổn hao công suất phải cấp điện để trì trạng thái đóng tiếp điểm   b ATS dùng CB: Ưu điểm: gây tổn hao không cần nguồn điện trì trạng thái đóng tiếp điểm  Nhược điểm: cấu phức tạp thời gian tác động lâu dùng contactor  Ngồi ra, tạo thêm mạch điện phục vụ giám sát cảnh báo trạng thái như: lỗi khởi động; nhiệt độ nước làm mát cao; dung lượng ắc quy thấp; mức nhiên liệu thấp; tắc lọc gió;… 1.1.4 Chức hoạt động tủ ATS: Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ATS Hình bao gồm khối chức mơ tả hoạt động tồn hệ thống ATS,với nguồn điện dự phịng acquy Trong đó: - Mains CTT Gen CTT: có chức đóng nguồn điện lưới máy phát - Khối MC(Mains Contactor) khối GC(Gen Contactor) hai thiết bị đóng/cắt nguồn độc lập tích hợp thành khối, có chức tự động chuyển đổi nguồn từ nguồn điện lưới sang nguồn điện acquy ngược lại Hình 3.13- Kết nối mạch nạp với máy tính o Kết nối mạch nạp với PIC/dsPIC Hình 3.14- Kết nối mạch nạp với PIC/dsPIC 30  Trên mạch nạp có header ICSP (rất tiện sử dụng với kiểu Male & Female) đánh tên theo thứ tự MCLR, VDD, GND, PGD, PGC, AUX Ta kết nối với PIC theo chân tương ứng, xem datasheet PIC sử dụng để biết vị trí chúng AUX ICSP khơng có tác dụng nên để hở  Lưu ý số PIC khơng có chân PGC, PGD mà chúng đặt tên ICSPCLK, ICSPDAT hay PGECx, PGEDx chức không thay đổi  Theo khuyến cáo Microchip chân AVdd, AVss (nếu có) phải cấp nguồn Hai chân PGC PGD lúc nạp khơng nối với linh kiện có tải lớn (ví dụ Led)  Trên phần mềm chọn họ PIC (Combo Box thứ nhất) click Detect Device để kiểm tra kết nối với PIC Việc chọn họ PIC cần phải chọn Hình 3.15- Mở file  Một phần mềm detect PIC, thao tác PIC hồn tồn thực hiện:  Program All - Nạp nội dung lấy từ file xuống PIC  Read All - Đọc flash, eeprom config PIC lên máy tính thể chúng bảng liệu software 31 Verify All - Đối chiếu flash, eeprom config PIC với nội  dung có bảng liệu software Erase - Xóa flash, eeprom config PIC   Mở file *.hex cách click Open đến file cần nạp, đường dẫn file lưu lại Một mở file *.hex thành công, ta không cần thực thao tác nạp Phần mềm có chức reload file trước lần nạp  Sử dụng tổ phím hợp phím nóng Ctrl+F5 để nạp cho Chip làm việc giao diện phần mềm khác (MPLAB IDE)  Trên giao diện cho phép cấu hình config cách dễ dàng Combo Box Check Box o Kết nối mạch nạp với AT89S, AVR EEPROM Hìn h 3.16- Kết nối mạch nạp với AT89S, AVR EEPROM  Phần mềm từ phiên 1.00.28 trở lên hỗ trợ thêm dòng AT89(L)S5x, AT90S, ATtiny, ATmega Eeprom 32  Cách kết nối với mạch nạp Burn-E nêu cụ thể giao diện (góc dưới-phải) sau chọn tên ComboBox  Bên phải giao diện phần cấu hình fuse, ta chọn lựa comboBox hay checkBox Trên có nút Write Fuse  Ta gắn thạch anh cho chip trước click nút Write Fuse trường hợp cấu hình chip chạy với thạch anh ngồi  Ví dụ fuse để chạy với thạch anh từ 10 MHz đến 16 MHz Lưu ý tụ với thạch anh phải phù hợp 12pF đến 22pF, dùng nhầm giá trị lớn ví dụ 20nF có vấn đề khơng detect MCU sau fuse Hình 3.17- Thao tác ghi Fuse 33 Hình 3.18- Nạp xong  Ví dụ fuse để chạy với thạch anh từ MHz trở xuống Lưu ý tụ với thạch anh phải phù hợp 12pF đến 22pF, dùng nhầm giá trị lớn ví dụ 20nF có vấn đề khơng detect MCU sau fuse.” Hình 3.19- Ghi Fuse chạy thạch anh ngồi 8MHz 34 Hình 3.20- Nạp thành cơng o Hình ảnh mạch nạp chip Burn-E Hình 3.21- Mạch nạp chip Burn-E 35 3.4.3 Hệ thống sau hoàn thiện Hình 3.22- Mặt trước hệ thống ATS 36 Hình 3.23- Mặt cánh hệ thống ATS 37 Hình 3.24- Toàn bên hệ thống ATS 3.4.4 Đánh giá khảo sát thực tế 38 Ta sử dụng máy OSCILLOSCOPE để đo dạng điện áp đầu hệ thống ATS Hình 3.25 Điều chỉnh thơng số Oscilloscope Hình 3.26 Dạng tín hiệu sin chuẩn đầu điện lưới 39 Hình 3.27 Tín hiệu hình Sin đầu hệ thống ATS 40 Hình 3.28 Đo điện áp đồng hồ số Hình 3.29 Đo điện áp đồng hồ kim 41  Nhận xét đánh giá: Dạng điện áp hệ thống cho dạng hình Sin mức điện áp đầu đo đồng hồ vạn trường hợp đồng hồ số đồng hồ kim cho ta mức điện áp xấp xỉ 220v Qua ta thấy : Tuy hệ thống chưa đạt đến ngưỡng Sin chuẩn 100%, qua đánh giá hệ thống đủ để đáp ứng cho việc sử dụng thiết bị điện gia đình sản xuất KẾT LUẬN 42 Sau thực xong đồ án trang bị cho em nhiều kiến thức bổ ích mạch điện, từ nguyên lí cách thức hoạt động hệ thống Với công sức thầy trò mà đồ án tốt nghiệp với đề tài : “Nghiên cứu thiết kế thiết bị Inverter 50Hz chuẩn sóng sin hệ thống ATS” hoàn thành Tuy nhiên, khơng tránh khỏi sai sót định Một mặt sai số tính tốn từ lý thuyết mà khác với thực tế; mặt khác số rào cản phần thi công hệ thống, nên khơng xác tuyệt đối ý mong muốn Sản phẩm hoàn thiện có ích cho hộ gia đình sản xuất Thiết bị Inverter trang bị hệ thống ATS giúp chuyển đổi nguồn điện chiều từ acquy sang nguồn điện xoay chiều 220v để hoạt động loại điện dân dụng gia đình máy móc sản xuất có trường hợp xấu xảy nguồn điện lưới Qua em tiếp tục nghiên cứu phát triển thêm để sản phẩm cịn có nhiều tính cơng dụng hữu ích Để sản phẩm trở nên thông dụng với nhà mang lại hiệu kinh tế cao cho sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 [1] Ngô Diên Tập, Sách “Kỹ thuật vi điều khiển AVR”, Nhà xuất : Khoa học kỹ thuật, Hà nội, năm 2003 [2] “Bài - Làm quen AVR” http://www.hocavr.com/index.php/lectures/lamquenavr “Bài – Cấu Trúc AVR” http://www.hocavr.com/index.php/lectures/cautrucavr [3] “Hướng dẫn sử dụng mạch nạp chip Burn E” http://www.pduytech.com/ProductsBurnerBurn-E.html [4] “Giải pháp kỹ thuật tích hợp hệ thống tự động chuyển đổi nguồn (ATS) chất lượng cao” Cập nhật ngày 24/07/2013 03:33 http://chuyenmayphatdien.com/tin-tuc-n72/Giai-phap-ky-thuat-tich-hophe-thong-tu-dong-chuyen-doi-nguon-ATS-chat-luong-cao.htm [5] “ Tìm hiểu cơng nghệ biến tần” Cập nhật ngày 15/10/2014 http://tietkiemnangluong.vn/Tham-khao/Kien-thuc-chuyen-mon/Timhieu-ve-cong-nghe-bien-tan.aspx 44 ... lớn để sinh hoạt sản xuất Mục tiêu luận ? ?Nghiên cứu thiết kế thiết bị Inverter 50Hz chuẩn sóng sin hệ thống ATS? ?? với nội dung sau: Chương 1: Cở sở lý thuyết thiết bị Inverter hệ thống ATS Chương... trước hệ thống ATS 36 3.23 Mặt cánh hệ thống ATS 37 3.24 Toàn bên hệ thống ATS 38 3.25 Điều thơng số Oscilloscope 39 3.26 Dạng tín hiệu sin chuẩn đầu điện lưới 39 3.27 Tín hiệu sin đầu hệ thống ATS. .. ATS Chương 2: Thiết kế phần cứng cho mạch Chương 3: Thiết kế phần mềm cho mạch CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ INVERTER TRONG HỆ THỐNG ATS 1.1 Giới thiệu hệ thống ATS - ? ?ATS (Automatic