Tạo xung đơn
Tạo xung chùm
Điều khiển được SCR bằng mạch tạo xung kích.
Hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển SCR thông qua mạch phản hồi cách ly.
Hiển thị được giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải AC và DC lên LCD.
Điều khiển được điện áp ngõ ra cung cấp cho tải công suất.
3.2. Phƣơng án xây dựngmô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp.
Xây dựng khối tạo xung đơn và xung chùm để điều khiển SCR.
Xây dựng bộ chỉnh lưu DC.
Xây dựng, thi công khối cảm biến đo dòng điện AC và DC dùng IC ACS712 kết hợp với PIC 16F877A hiển thị lên LCD.
Nghiên cứu, xây dựng và thi công mạch hồi tiếp từ điện áp ngõ ra trên tải DC.
Thi công mô hình Variac bán dẫn 3 pha.
Lắp ráp các khối vào mô hình.
Lắp ráp mạch vào tải công suất để kiểm tra điều chỉnh.
Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 31
3.3.1.Sơ đồ khối của mô hình.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 32
3.3.2. Chức năng từng khối.
3.3.2.1. Nguồn điện 3 pha.
Cung cấp nguồn điện 3 pha cho mô hình.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 33
3.3.2.2. Khối nguồn.
Biến áp cách ly ngõ vào và lấy nguồn điện chỉnh lưu thành nguồn điện một chiều DC cung cấp cho mạch kích SCR, khối cảm biến dòng – áp, khối hiển thị LCD và khối hồi tiếp.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 34
3.3.2.3. Khối mạch kích SCR.
Tạo xung kích cho khối SCR theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 35
3.3.2.4. Khối SCR.
Gồm 6 SCR mắc thành 3 cặp song song ngược đầu để thay đổi giá trị điện áp xoay chiều ngõ ra.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 36
3.3.2.5. Cảm biến dòng - áp.
Đo giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải sử dụng module ACS 712.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 37
3.3.2.6. Khối hiển thị LCD.
Hiển thị giá trị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải hiển thị lên LCD 20x4.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 38
3.3.2.7. Hồi tiếp.
Mạch hồi tiếp hay mạch phản hồi cách ly là bộ cách ly quang, cho phép biến đổi điện áp ngõ ra trên tải DC thành điện áp phản hồi. Sự thay đổi điện áp ngõ ra do tải sẽ làm thay điện áp để sử dụng hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển trong mạch kích SCR và cho phép bù trừ sự thay đổi thế ra do tải.
Hình 3.8: Khối hồi tiếp
3.3.2.8. Bộ chỉnh lưu AC ra DC
Chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn điện một chiều để cung cấp cho phụ tải. Phụ tải một chiều có thể là động cơ một chiều, mạch kích từ máy phát điện, cuộn dây nam châm điện…
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 39
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 40
3.3.3. Sơ đồ nguyên lý.
3.3.3.1. Mạch kích SCR.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 42
Nguyên lý hoạt động:
Điện áp cấp nguồn cho biến áp cách ly là 12VAC. Điện áp tại điểm A trên khối biến áp cách ly có dạng sóng hình sin.Điện áp tại điểm B trên khối đồng bộ có dạng sóng răng cưa Us. Xung răng cưa này sẽ được so sánh với điện áp điều chỉnh Up (biến trở 10k) ở khối so sánh. Điện áp tại điểm C trên khối so sánh có dạng sóng là xung vuông có độ rộng rất lớn.Khi xung vuông tại điểm C đi qua khối tạo xung để tạo thành xung hẹp (xung tại vị trí D), xung này thích hợp với việc kích SCR. Xung này được đưa qua mạch khuếch đại để tạo ra xung có biên độ lớn và dòng đủ mạnh để qua khối biến áp cách ly ngõ ra, xung này sẽ kích trực tiếp SCR.
Công tắc có hai chế độ: xung đơn và xung chùm.
Khi gạt công tắc về vị trí xung đơn, tại vị trí khối tạo xung: Công tắc đóng mạch với nguồn +12V, IC 4069 (cổng NOT) có điện áp vào nên điện áp ra là 0. IC CD4081(U2:A) không có tín hiệu đầu ra.
Cổng NOT có vai trò khóa chéo giữa hai chế độ xung đơn và xung chùm. Xung vuông có độ rộng lớn đi vào IC CD4528 tạo thành xung hẹp (tại vị trí D). Tại IC CD4081(U2:B) hai chân tín hiệu đều có điện áp nên đầu ra IC có tín hiệu vào khối khuếch đại xung. Xung này là xung đơn để điều khiển SCR.
Khi gạt công tắc về vị trí xung chùm, tại vị trí khối tạo xung: công tắc đóng 2 vị trí.
Vị trí 1 nối với 0V, khóa xung đơn tại IC CD4081(U2:B), tại ngõ ra IC CD4081(U2:A) có tín hiệu ra do có tín hiệu vào từ cổng NOT và điểm C của khối so sánh.
Vị trí 2 nối với nguồn +12V, khối tạo xung chùm hoạt động. Tín hiệu vào từ khối tạo xung chùm với tín hiệu ra của IC CD4081(U2:A) tại đây vào IC CD4081(U3:A), đầu ra của IC CD4081(U2:A) là xung chùm có thể điều khiển được độ rộng của xung này nhờ vào biến trở.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 43
3.3.3.2. Khối vi điều khiển PIC 16F877A
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 44
3.3.3.3. Khối nguồn
Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.
Khối nguồn +5VDC: Điện áp vào khối nguồn này được lấy từ biến áp 12V sau đó qua chỉnh lưu qua cầu diode, sử dụng IC 7805 để ra điện áp 5V để cấp nguồn cho mạch.
Khối nguồn ±12VDC: Biến áp đôi cấp nguồn xoay chiều 24VAC qua cầu Diode chỉnh lưu, sử dụng IC 7812 để tạo +12VDC và IC 7912 để tạo
–12VDC.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 45
3.3.3.4. Khối đo áp AC
Hình 3.13:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp AC.
Điện áp cần đo được lấy trên tải sau đó qua cầu diode chỉnh lưu .
Dùng biến trở RV1 điều chỉnh điện áp ngõ ra để đưa trực tiếp vào ngõ vào AN3 chân analog (chân số 5) của PIC 16F877A để xử lý.
3.3.3.5. Khối đo áp DC
Hình 3.14:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp DC.
Điện áp DC cần đo được lấy trực tiếp trên tải sau đó qua mạch cầu phân áp, sử dụng biến trở để điều chỉnh điện áp ngõ ra để đưa trực tiếp vào ngõ vào AN1chân analog (chân số 3) PIC 16F877A để xử lý.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 46
3.3.3.6. Khối đo dòng AC
Hình 3.15:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng AC.
Đầu vào của module ACS 712 nối tiếp với tải cần đó. Ta lấy tín hiệu ra từ chân out của module ACS 712, điện áp tại đây là điện áp AC sau đó cho qua cầu phân áp và diode, tụ để có thể đưa vào chân analog AN2 (chân số 4)của PIC 16F877A để xử lý.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 47
3.3.3.7. Khối đo dòng DC
Hình 3.16:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng DC.
Đầu vào của module ACS 712 nối tiếp với tải DC cần đo. Tín hiệu được lấy ra trực tiếp từ chân out của module ACS 712 để đưa vào chân analog AN0 (chân số 2) của PIC 16F877A để xử lý.
Tính toán độ phân giải:
Theo yêu cầu thì các ngõ vào điện áp tham chiếu là VREF - = 0V, VREF + = VDD = 5V.
Nên độ phân giải là SS = 𝑉𝑅𝐸𝐹 + − 𝑉𝑅𝐸𝐹 −
210− 1 = 5000 𝑚𝑉
1023 = 4.887mV Thông số 210 là do ADC 10 bit.
Điện áp toàn giai full scale = FS: FS = SS x 1023 = 4,887mV x 1023 = 5000mV Độ phân giải ADC là 4,887mV không tương thích với độ phân giải của cảm biến ACS 712 (5A) bằng 185mV, tỉ lệ chênh lệch là:
185𝑚𝑉
4,887𝑚𝑉 = 37.85
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 48
3.3.3.8. Mạch hiển thị LCD
Hình 3.17:Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD.
Sử dụng 2 LCD 20x4 để hiển thị dòng điện và điện áp.
3.3.3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
Hình 3.18:Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu pha.
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha: đầu vào điện áp AC qua cầu diode 10A, sử dụng tụ có giá trị 3900uF để lọc phẳng.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 49
3.3.3.10. Mạch hồi tiếp.
Hình 3.19:Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp.
Mạch phản hồi cách ly (ISOLATED FEEDBACK) thực chất là bộ cách ly quang, cho phép biến đổi điện áp ngõ ra U0 thành điện áp phản hồi. Sự thay đổi điện áp ra do tải sữ làm thay đổi điện áp để sử dụng hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển và cho phép bù trừ sự thay đổi thế do tải. Mạch opamp TL084 thực hiện vai trò hàm PID nhằm đảm bảo đáp ứng ngõ ra tốt nhất.
Ngõ ra mạch hồi tiếp được đưa vào ngõ vào đảo của OP-AMP ở khối so sánh trong mạch kích SCR.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 50
3.3.4. Sơ đồ mạch in
3.3.4.1. Mạch in khối PIC
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 51
3.3.4.2. Mạch in khối cảm biến
Hình 3.21: Mạch in khối cảm biến.
3.3.4.3. Mạch in khối hồi tiếp
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 52
3.3.5. Thiết bị bảo vệ Giới thiệu chung Giới thiệu chung
Bộ ngắt nguồn (circuit breaker) thường được gọi là CB. Ngày nay CB là thiết bị bảo vệ thông dụng nhất cho thiết bị điện dân dụng.
CB có nhiều loại nhưng thông thường được chế tạo theo tiêu chuẩn đó là IEC 60898 cho hệ thống điện dân dụng.
3.3.5.1. Cấu tạo CB
Một CB gồm những bộ phận chính
Hệ thống tiếp điểm
Hệ thống dập hồ quang
Cơ cấu truyền động
Cơ cấu bảo vệ
Cần gạt bằng tay
Cơ cấu bảo vệ trong một CB gồm 2 loại sau:
Rơ-le nhiệt: theo nguyên lý bộ lưỡng kim nhiệt, tác động chậm, dùng để bảo vệ quá tải.
Rơ-le điện từ: theo nguyên lý Rơ-le dòng điện tác động nhanh dùng để bảo vệ quá tải.
3.3.5.2. Chọn CB bảo vệTa có: Ta có: 𝑆𝑡𝑡 = 3.0 (𝐾𝑉𝐴) ⟹ Itt = 𝑆𝑡𝑡 3.𝑈 = 3000 3.300 = 5.7 (A) Chọn CB có dòng cho phép lớn hơn 6 A ⟹Chọn CB của hãng LS BKN C10
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 53
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 54
C H Ƣ Ơ N G 4
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 55
4.1. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM.
4.1.1. Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải trở kháng
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải trở kháng được vẽ lại trên phần mềm PSIM 9.0.3 như hình 4.1 để mô phỏng dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải R + L.
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải trở kháng.
4.1.2. Mô phỏng dạng sóng điện áp AC trên tải R + L
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 56
Hình 4.2: Mô phỏng dạng sóng điện áp ngõ ra trên tải R + L.
4.1.3. Mô phỏng dạng sóng dòng điện AC trên tải R + L
Dạng sóng dòng điện ngõ ra trên tải R = 40Ω; L = 500mH; góc kích α = 300.
Hình 4.3: Mô phỏng dạng sóng dòng điện ngõ ra trên tải R + L.
4.2. Kết quả đo thực nghiệm trên mô hình thực tế
Nhóm đã hoàn thành mô hình bộ Variac bán dẫn 3 pha có hồi tiếp, hình 4.4 là tổng thể toàn bộ mô hình. Nhóm nghiên cứu sử dụng oscilloscope TPS 2024B của Tekatronix để đo dạng sóng điện áp và HIOKI 3197 để đo dạng sóng dòng điện ngõ ra.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 57
Hình 4.4: Ảnh chụp tổng thể toàn bộ mô hình.
Hình 4.5: Mặt nạ trước của mô hình.
4.2.1. Dạng sóng điện áp ngõ ra ACtrên tải R + L
Để dễ dàng so sánh mô phỏng và thực nghiệm, nhóm nghiên cứu chọn các giá trị R, L và góc kích α giống như mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0.3.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 58
Hình 4.6: Dạng sóng điện áp ngõ ra AC trên tải R + L.
4.2.2. Dạng sóng dòng điện ngõ ra AC trên tải R + L
R = 40Ω; L = 500mH; góc kích α = 300; không hồi tiếp.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 59
Nhận xét: Qua mô phỏng PSIM và thực nghiệm trên mô hình cho thấy kết quả đo dạng sóng dòng điện và điện áp xoay chiều tương đối giống nhau với tải trở kháng R = 40Ω, L=500mH.
4.2.3. Dạng sóng điện áp ngõ ra DC
Dạng sóng điện áp ngõ ra DC tương đối thẳng và ổn định trên tải trở; không hồi tiếp.
Hình 4.8: Dạng sóng điện áp ngõ ra DC trên tải R.
4.2.4. Kết quả khi có hồi tiếp
Đo dạng sóng dòng điện, điện áp xoay chiều trên tải R + L khi có hồi tiếp. R = 40Ω; L = 500mH; góc kích α = 300.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 60
Hình 4.9: Dạng sóng điện áp ngõ ra AC trên tải R+L khi có hồi tiếp.
Hình 4.10: Dạng sóng dòng điệnngõ ra AC trên tải R+L khi có hồi tiếp.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 61
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1. Đánh giá kết quả đã đạt được
Mô hình hoạt động tương đối ổn định.
Điều chỉnh được điện áp ngõ ra AC và DC.
Dòng điện đạt được 5A.
Hiển thị dòng điện, điện áp ngõ ra trên tải AC và DC trên LCD 20x4.
Điều khiển được điện áp ngõ ra bằng xung đơn hoặc xung chùm phù hợp với nhiều loại tải khác nhau.
Hồi tiếp được từ điện áp ngõ ra trên tải DC để đưa về hiệu chỉnh lại độ rộng xung kích trong mạch kích SCR.
Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0.3 và kết quả đo thực nghiệm trên mô hình tương đối giống nhau.
Tự thiết kế và gia công bộ khung và vỏ ngoài của mô hình.
5.2. Những vấn đề còn tồn đọng
Chỉ sử dụng cho các loại tải có công suất trung bình và nhỏ. Cơ cấu đo dòng và đo áp còn sai số tương đối lớn.
5.3. Hướng phát triển
Phát triển bộ Variac 3 pha có dòng lớn hơn để sử dụng trong các hệ thống công suất lớn.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Đình Phú, “Thực hành vi điều khiển PIC”, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 04/2014.
[2] Hoàng Ngọc Văn, “Thực hành điện tử công suất”, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 01/2013.
[3] Lê Văn Doanh (chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, “Điện tử công suất, lý thuyết, thiết kế, ứng dụng”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[4] Trần Viết Tiến, Đào Trung Hiếu, “Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn một pha”, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2014.
[5] Đặng Thị Phương Thảo, Cao Văn Khỏe, “Thiết kế mạch tạo xung điều khiển đồng bộ đa năng”, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2015.
[6] http://www.dientuvietnam.net
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 63
PHỤ LỤC
CODE CHƯƠNG TRÌNH PIC 16F877A:
#include <16f877a.h>
#device *=16 adc=10 //KHAI BAO SU DUNG ADC 10 BIT #use delay(clock=20000000) // THACH ANH 20MHz
#FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG,
NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT #include <LIB_LCD1.c> // THU VIEN LCD 1 #include <LIB_LCD2.c> // THU VIEN LCD 2 float UDC, UAC, IAC, IDC;
float DATA_UDC,DATA_UAC ,DATA_IDC,DATA_IAC; int16 A, B, C, D; void DO_UDC() { /*--- DO DIEN AP DC ---*/
SET_ADC_CHANNEL(1); // CHON KENH AN1 DELAY_US(10);
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 64 UDC=0; //DIEN AP DC
DATA_UDC = 0; for (A=0; A<1000; A++) {
DATA_UDC = DATA_UDC + Read_ADC(); DELAY_US(10); } UDC=DATA_UDC/1000; UDC=UDC/10; UDC=UDC*2.847; LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_Putchar," "); Printf(LCD_Putchar,"%5.2f",UDC); Printf(LCD_putchar," Volt "); } void DO_UAC() { /*--- DO DIEN AP AC
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 65 ---*/