Xây dựng phần mềm bộ biến đổi DC AC

Vì vậy muốn sử dụng tốt có hiệu quả các dạng năng lượng này ta phải thực hiện biến đổi năng lượng đầu ra của các nguồn năng lượng trên thành điện năng xoay chiều phù hợp với các loại phụ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, ngành điện đóng vai trò hết sức quan trọng Nếu không có điện, mọi mặt của đời sống xã hội bị đình trệ

Với nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng mà nguồn cung cấp điện năng từ thủy điện và nhiệt điện còn hạn chế, điện năng từ sức gió lại chỉ có thể

áp dụng theo vùng, miền có quy mô nhỏ, trong khi đó dự án điện hạt nhân phải đến năm 2020 mới có thể đi vào hoạt động và nguy cơ thiếu điện vẫn có thể xảy ra

Mặt khác do đường truyền dẫn của lưới điện, do kỹ thuật hoặc thiên tai nên việc xảy ra sự cố mất điện cục bộ là điều không tránh khỏi Để khắc phục sự

cố này người ta phải tính đến các nguồn điện dự phòng như: Máy phát điện hoặc

sử dụng bộ biến đổi DC-AC Tuy nhiên những thiết bị này lại có những ưu nhược điểm khác nhau

Hiện nay chúng ta gặp nhiều bộ biến đổi DC-AC Trong kỹ thuật có các

bộ biến đổi điện áp chất lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm, trong các trạm viễn thông, trong quân sự hoặc cung cấp cho các thiết bị chuyên dụng khác Trong dân dụng chúng ta thường gặp như các bộ lưu điện dùng cho máy vi tính, hay trong các bộ đèn tích điện sử dụng khi sự cố mất điện lưới Với những khó khăn về giá thành sản phẩm và linh kiện thay thế đã làm các nhà nghiên cứu trong nước tiến hành nghiên cứu ra các sản phẩm có giá thành rẻ, dễ thay thế Nhưng đa phần là thiết kế chưa thành công

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lượng cao công suất từ 400-500W, đánh giá chất lượng của bộ biến đổi thông qua các đặc tính thực nghiệm

3 Nội dung luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi điện áp DC - AC

Chương 2: Thiết kế phần cứng

Chương 3: Xây dựng phần mềm bộ biến đổi DC - AC

Chương 4: Xác định các đặc tính của thiết bị bằng thực nghiệm Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-AC 1.1 Đặt vấn đề

Trong thực tế hiện nay ngoài việc sử dụng năng lượng điện từ lưới điện công nghiệp, xu hướng tăng cường năng lượng điện từ dạng năng lượng tái sinh hay năng lượng mới thân thiện với môi trường hơn Ví dụ: năng lượng sức gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời , một phần lớn các dạng năng lượng này ban đầu được biến đổi thành điện năng ở dạng điện năng một chiều như pin mặt trời, địa nhiệt

Trong khi đó các thiết bị sử dụng điện trong công nghiệp và dân dụng hiện nay thường là các thiết bị được sản xuất làm việc với điện áp xoay chiều Vì vậy muốn sử dụng tốt có hiệu quả các dạng năng lượng này ta phải thực hiện biến đổi năng lượng đầu ra của các nguồn năng lượng trên thành điện năng xoay chiều phù hợp với các loại phụ tải đang sử dụng Đây là một vấn đề đang được quan tâm nhiều

Việc nghiên cứu để thiết kế được một bộ biến đổi điện áp một chiều với cấp điện áp nguồn cỡ 12 V thành điện áp xoay chiều có tần số và giá trị như mạng điện công nghiệp hạ áp và có chất lượng cao vẫn đang còn là vấn đề cấp thiết

1.2 Các bộ biến đổi điện năng

Các bộ biến đổi điện năng là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác phù hợp với nguồn điện và phụ tải điện

Các bộ biến đổi điện áp thông dụng hiện nay:

+ Bộ biến đổi AC – AC

+ Bộ biến đổi AC – DC

+ Bộ biến đổi DC – AC

+ Bộ biến đổi DC – DC

- Bộ biến đổi AC – AC: Biến đổi điện áp xoay chiều có giá trị tần số và điện áp cố định thành điện áp xoay chiều có giá trị điện áp khác (dạng điện áp ra thường không sin)

- Bộ biến đổi AC – DC (Bộ chỉnh lưu): Biến đổi điện áp xoay chiều m pha

thường có tần số và trị số điện áp cố định thành điện áp một chiều có giá trị không đổi (không điều khiển) hoặc có giá trị điều khiển được (có điều khiển)

- Bộ biến đổi DC – AC (Bộ nghịch lưu): Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số không đổi hoặc điều khiển được

- Bộ biến đổi DC – DC: Biến đổi điện áp một chiều có trị số không đổi thành điện áp một chiều có thể điều khiển được theo nguyên tắc xung (xung điện áp)

Ngoài 4 bộ biến đổi cơ bản trên, trong công nghiệp còn thường sử dụng các thiết bị biến đổi được tổ hợp từ một số sơ đồ của một hoặc một số loại bộ biến đổi cơ bản trên Một trong các thiết bị phổ biến trong nhóm các thiết bị đã nêu là thiết bị biến đổi tần số, thường gọi là bộ biến đổi tần số hay bộ biến tần Các bộ biến đổi tần số theo quá trình biến đổi năng lượng điện được chia ra làm hai nhóm: Bộ biến đổi tần số trực tiếp và bộ biến đổi tần số gián tiếp có khâu trung gian một chiều

+ Bộ biến đổi tần số trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều): Ở bộ biến đổi này, năng lượng điện xoay chiều có tần số f1 chỉ qua một khâu biến đổi trở thành năng lượng điện xoay chiều tần số f2 khác f1 và có khả năng điều chỉnh được theo yêu cầu trong một phạm vi nào đó Cấu trúc thiết bị này là việc ghép song song ngược các sơ đồ chỉnh lưu

+ Bộ biến đổi tần số gián tiếp (xoay chiều - một chiều - xoay chiều), là thiết

bị mà năng lượng điện xoay chiều của nguồn có có tần số f1 trước tiên được biến đổi thành năng lượng điện một chiều, biến đổi thứ nhất là một sơ đồ chỉnh lưu (có hoặc không điều khiển), tiếp theo năng lượng điện một chiều được biến đổi

thành năng lượng điện xoay chiều tần số f2 khác f1 qua khâu biến đổi thứ hai thường là một sơ đồ nghịch lưu

1.3 Bộ biến đổi DC – AC (nghịch lưu)

1.3.1 Tổng quan về nghịch lưu

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều với điện áp (hoặc dòng điện) và tần số đầu ra có thể điều khiển được, dùng để cung cấp cho tải xoay chiều

Phân loại các bộ nghịch lưu:

Phân loại theo dụng cụ bán dẫn công suất được sử dụng:

- Nghịch lưu dùng dụng cụ điều khiển không hoàn toàn như thyristor, triac…

- Nghịch lưu dùng dụng cụ điều khiển hoàn toàn như transistor, GTO …

Phân loại theo tính chất của nguồn cung cấp và đặc tính tải:

Phân loại theo thiết bị chuyển mạch các van:

Phân loại theo thiết bị chuyển mạch các van có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào sơ đồ và các dụng cụ sử dụng để khóa các van và ứng dụng với mạch nghịch lưu dùng dụng cụ chuyển mạch không hoàn toàn

Với nghịch lưu dùng thyristor để chuyển mạch (khóa) các van cần phải có các thiết bị tương tự như việc khóa các van trong BBĐ một chiều - một chiều

Sơ đồ mạch điện cũng như các phần tử dùng để chuyển mạch các thyristor rất đa

dạng và có thể sử dụng để phân loại các bộ nghịch lưu nhóm này

1.3.2 Các sơ đồ nghịch lưu điện áp 1 pha

Các bộ biến đổi điện áp DC – AC như đã nêu ở trên thực chất là bộ nghịch lưu xoay chiều 1 pha thường được gọi là bộ nghịch lưu điện áp một pha Với mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ biến đổi điện áp DC - AC trước tiên cần tìm hiểu các sơ đồ bộ biến đổi DC – AC để có thể lựa chọn được sơ

1.3.2.1 Sơ đồ sử dụng 4 Thyristor

a Sơ đồ mạch lực của bộ nghịch lưu (còn thiếu thiết bị chuyển mạch)

Hình 1.1: Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha dạng

cầu (thiếu thiết bị chuyển mạch)

- Trong các khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ âm của điện áp trên tải, thực hiện khống chế mở hai van T3, T4 và khoá hai van T1, T2 Khi đó điện áp trên tải sẽ là: ut = –Ud

Với việc khống chế sự làm việc của các van theo quy luật như trên và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp ra yêu cầu, kết quả nhận được điện áp trên tải là điện áp xoay chiều có dạng hình chữ nhật (còn gọi là dạng sin chữ nhật) Đồ thị điện áp trên tải khi cho các van làm việc theo quy luật trên được minh hoạ trên hình 1.2

Hình 1.2: Đồ thị điện áp ra của sơ đồ hình 1.1

b Sơ đồ nghịch lưu áp một pha dạng cầu chuyển mạch phụ thuộc theo nhánh (theo pha)

-T3 T1

D33 D11

+

-

L1 L4

Ud

Zt

T2 T4

C3 C2

Trong sơ đồ này ngoài các phần tử giống như sơ đồ hình 1.1 còn có thêm các phần tử chuyển mạch (mạch để khoá các thyristor chính) Các phần tử của thiết bị chuyển mạch gồm: L1, L4, C1, C4 là các phần tử chuyển mạch của 2 van T1 và T4; còn L2, L3, C2, C3 là các phần tử chuyển mạch của 2 van T2 và T3 Các điện cảm chuyển mạch có giá trị nhỏ và bằng nhau, mặt khác từng cặp L1 và L4, L2 và L3 có liên hệ hỗ cảm với nhau (ghép kiểu biến áp) với hệ số liên hệ bằng 1

c Nghịch lưu cầu một pha chuyển mạch theo nhóm van, có đi ốt cắt

Trong sơ đồ này, các phần tử chuyển mạch dùng để khoá các thyristor

chính gồm có C1, L1 (khoá nhóm van anôt chung T1, T3) và C2, L2 (khoá nhóm van Ka tốt chung T2, T4) Ngoài ra, trong sơ đồ còn có thêm các đi ốt D1  D4 được gọi là các điốt cắt (ngăn cách)

+

-T1

D33 D11

Hình 1.4: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha dạng cầu chuyển mạch theo

nhóm van, có đi ốt ngăn cách (đi ốt cắt)

T3

T2

-

+ - C2

L1 C1

uC1

uC2 +

1.3.2.2 Sơ đồ sử dụng 4 Transistor

Các bộ nghịch lưu dùng thyristor cho chất lượng đường cong điện áp và dòng điện đầu ra xấu, kể cả khi đã áp dụng biện pháp cải thiện chất lượng Dòng điện tải khác xa hình sin, có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn so với sóng cơ bản gây ra nhiều ảnh hưởng xấu cho phụ tải của BBĐ Mặt khác, việc điều chỉnh điện áp ra cũng tương đối khó khăn Các tồn tại trên là do thyristor chỉ có khả năng điều khiển mở và tần số đóng cắt thấp Để khắc phục các nhược điểm trên, có thể sử dụng các bộ nghịch lưu bằng dụng cụ điều khiển hoàn toàn như GTO hoặc các loại transistor Xuất phát từ các đòi hỏi của thực tế kỹ thuật, các nhà sản xuất dụng cụ đã không ngừng tìm các biện pháp nâng cao chất lượng các transistor Hiện nay, đã có nhiều loại transistor chịu được điện áp cao, dòng điện lớn cho phép thay thế thyristor trong nhiều sơ đồ bộ biến đổi Bên cạnh khả năng điều khiển được cả quá trình mở và khóa (điều khiển hoàn toàn) với công suất điều khiển rất bé, các transistor công suất lớn này còn cho phép làm việc với tần số đóng cắt cao (cỡ 20000 Hz)

Nhờ khả năng điều khiển hoàn toàn và tần số đóng cắt cao mà các bộ nghịch lưu dùng transistor cho phép kết hợp điều chỉnh điện áp và cải thiện chất lượng dòng điện ra, giảm nhỏ kích thước đồng thời tăng chất lượng của thiết bị

biến đổi

Hình 1.5: Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha dạng

cầu sử dụng transistor

1.3.3 Nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)

Như đã nêu, khi sử dụng các dụng cụ điều khiển hoàn toàn có tần số đóng cắt cho phép cao (các transistor công suất, IGBT, …), có thể áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp cho phép cải thiện chất lượng của các sơ đồ nghịch lưu Việc điều chỉnh giá trị điện áp hoặc dòng điện đầu ra theo tần số, tạo ra đường cong dòng điện qua tải có dạng gần hình sin là những yêu cầu hết sức quan trọng đối với các bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) là một trong các bộ nghịch lưu có thể đạt được cả hai yêu cầu trên

Để tạo ra chuỗi xung điện áp trên tải có đặc tính của chuỗi xung SPWM (chuỗi xung có biên độ bằng nhau, độ dài khác nhau đảm bảo dòng qua tải R-L gần hình sin và có biên độ sóng hài bậc nhất theo yêu cầu), có thể chia thời gian nửa chu kỳ hình sin (được xem là sóng hài bậc nhất cần có của điện áp ra khối nghịch lưu) ra N phần bằng nhau, như trên hình 1.6a (trong đó N = 12) sau đó thay thế một phần đường cong hình sin bằng một xung hình chữ nhật với chiều cao xác định và có diện tích bằng diện tích bao bởi trục hoành và phần đường cong hình sin được thay thế, trung điểm của xung hình chữ nhật trùng với trọng tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin (hình 1.6b) Như vậy đồ thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên độ nhưng khác nhau về chiều rộng đã thay thế (tương đương) cho một nửa chu kỳ hình sin Tương tự, ở các nửa chu kỳ khác của sóng hình sin cũng được thay thế theo phương pháp như vậy

Chuỗi xung trên hình 1.6b chính là đồ thị điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu SPWM Có thể thấy rằng do biên độ bằng nhau của các xung nên khối nghịch lưu có thể cung cấp bởi nguồn điện áp một chiều không đổi, tức là có thể dùng chỉnh lưu điode không điều khiển Giá trị biên độ của xung đầu ra khối nghịch lưu chính là điện áp đầu ra của khối chỉnh lưu Khi khối nghịch lưu làm việc ở trạng thái lý tưởng, tín hiệu điều khiển sự mở khóa của van bán dẫn công suất tương ứng cũng sẽ có dạng là một chuỗi xung tương tự như trên hình 1.6b Về

mặt lý thuyết độ rộng của các xung này có thể dùng phương pháp tính để tìm Nhưng biện pháp thường dùng trong thực tế là sử dụng phương pháp “điều chế” tương tự như trong kỹ thuật thông tin, đồ thị sóng mong muốn (ở đây là sóng hình sin) làm sóng điều chế (Modulating wave), còn tín hiệu chịu sự điều khiển của nó gọi là sóng mang (Carrier wave) Trong nghịch lưu SPWM thường dùng sóng tam giác cân làm sóng mang, bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có độ rộng trên dưới đối xứng nhau Ở thời điểm sóng điều chế giao với sóng mang sẽ bắt đầu xuất hiện hoặc mất tín hiệu điều khiển van bán dẫn công suất, có nghĩa rằng, đầu ra bộ điều chế nhận được chuỗi xung hình chữ nhật điều khiển các van đó chính là kết quả cần thiết của bộ PWM

Hình 1.6: Thứ tự sắp xếp các xung hình chữ nhật cùng biên độ tương đương

với sóng hình sin a) Sóng hình sin

b) Đồ thị sóng tương đương của SPWM

Hình 1.7: Phương pháp điều chế độ rộng xung với trường hợp điều chế một cấp

a Sóng mang tam giác và sóng điều chế hình sin

b Đồ thị sóng đầu ra SPWM

Để tạo chất lượng tốt hơn thường sử dụng phối hợp điều chỉnh độ rộng xung hình sin kết hợp bộ lọc

1.3.4 Bộ biến đổi dùng Transistor kết hợp biến áp đầu ra

Là loại biến đổi DC - AC đơn giản nhất Tín hiệu điều khiển khối công suất

ở dạng xung vuông Điện áp AC thu được ở đầu ra nhờ việc đảo pha điện áp DC cấp vào biến áp với một tần số nhất định như hình 1.8

Hình 1.8: Nghich lưu sóng vuông

Ở nửa chu kỳ đầu tín hiệu xung kích ở mức cao Q1 và Q2 dẫn, Q3 và Q4 ngưng dẫn do tín hiệu xung kích đã đi qua IC đảo trở thành mức thấp, dòng điện bên sơ cấp biến áp đi theo hướng:

VDC → W11 → Q1, Q2 → GND

Cuộn thứ cấp thu được nửa chu kỳ dương của dòng điện với biên độ điện

áp tỉ lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến áp

Ở nửa chu kỳ sau tín hiệu xung kích ở mức thấp Q1 và Q2 ngưng dẫn, Q3 và Q4 dẫn do tín hiệu xung kích đã đi qua IC đảo trở thành mức cao, dòng điện bên

sơ cấp biến áp đi theo hướng:

VDC → W12 → Q3, Q4 → GND

Cuộn thứ cấp thu được nửa chu kỳ âm của dòng điện với biên độ điện áp tỉ

lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến áp

Hình 1.9: Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông so với sóng sin

Trong đó:

Vi : Phần điện áp thiếu của sóng vuông so với sóng sin

Ve : Phần điện áp dư thừa của sóng vuông

Với việc mất đi phần đỉnh sin Vi Khả năng đáp ứng đối với tải có thành phần cảm kháng của nghịch lưu sóng vuông là rất kém

* Ưu điểm:

- Mạch đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp

* Nhược điểm:

- Hiệu suất thấp do tổn hao phần năng lượng tạo ra điện áp Ve

- Công suất tỏa nhiệt lên các van lớn

- Dạng sóng ra vuông nên chỉ có thể làm việc được với tải thuần trở, các thiết bị có thể làm việc với nguồn xoay chiều và một chiều Khi sử dụng cho các tải có đặc tính phụ thuộc vào tần số đặc biệt động cơ điện, dẫn tới không phát huy hết công suất, tổn hao phụ tải lớn làm giảm tuổi thọ thiết bị

1.3.5 Bộ biến đổi dùng Transistor kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra

Nghịch lưu sóng vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra có cấu tạo giống bộ nghịch lưu sóng vuông và được ghép thêm bộ lọc LC sau đầu ra của cuộn thứ cấp như hình 1.10

Dạng sóng của bộ nghịch lưu sau khi đã kết hợp với bộ lọc LC đã mềm hóa sóng vuông, giảm bớt biên độ sóng hài bậc cao Nhưng mới chỉ cải thiện chất lượng được đôi chút Vẫn chưa đảm bảo để chạy tải cảm công suất cao, có thể chạy tải cảm nhẹ như quạt

Hình 1.11: Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông với bộ lọc LC

1.3.6 Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều

Một phương pháp cải tiến từ bộ nghịch lưu đơn giản đó là tạo ra ở đầu ra nhiều cấp điện áp một chiều khác nhau, nhằm tạo nên dạng điện áp ra là dạng sóng kiểu bậc thang Sau đó sử dụng bộ lọc LC biến đường cong bậc thang đó thành hình gần giống sin Với đầu ra của biến áp càng nhiều cấp điện áp khác nhau thì chất lượng đầu ra của bộ nghịch lưu càng được cải thiện

Phương pháp này là tổng hợp của 2 phép biến đổi DC - DC và DC - AC Bước đầu ta dùng phép biến đổi DC - DC để tạo ra nhiều cấp điện áp một chiều khác nhau, hầu hết phép biến đổi này thường dùng biến áp xung Vì dùng biến áp xung sẽ tiết kiệm về mặt kinh tế, nhỏ gọn và làm việc ở tần số cao nên điện áp ra sau chỉnh lưu rất ổn định Đầu ra của biến áp xung được chỉnh lưu bằng điode xung và được lọc các xung nhiễu cao tần nhờ các tụ C1 đến C4 Sau đó biến đổi DC – AC sử dụng 3 bộ cầu H biến đổi 3 mức điện áp thu được thành điện áp bậc thang ngõ ra Nhờ bộ loc LC mà điện áp ngõ ra đã được mềm hóa đưa về dạng gần giống hình sin Hình 1.12 biến đổi DC - DC

Hình 1.12: Biến đổi DC-AC

Hình 1.13: Dạng sóng ra Nguyên lý hoạt động:

Xung tần số cao từ bộ điều khiển được đưa tới 2 cực điều khiển của 2 MOSFET Q1, Q2 cấp nguồn cho biến áp hoạt động, các đầu ra của biến áp sau khi đã chỉnh lưu bằng điode xung cho ra các điện áp lần lượt là: 0V, 98V, 230V, 310V

Các điện áp này được đưa đến các bộ cầu H như hình 1.12 để thực hiện biến đổi DC - AC Các bộ cầu H được điều khiển bằng tín hiệu h1, h2, h3, l1, l2, l3 từ bộ diều khiển:

- Với tín hiệu h1 thực hiện cho dòng điện chạy từ:

1.3.7 Các biện pháp nâng cao chất lượng điện áp ra

Nếu đường cong điện áp trên tải là các xung hình chữ nhật có độ dài giống nhau trong mỗi nửa chu kỳ thì các sóng hài bậc cao trong đường cong điện áp sẽ

có biên độ đáng kể so với thành phần sóng hài bậc nhất Điều này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến sự làm việc của phụ tải BBĐ Để cải thiện chất lượng điện áp ra ta phải tìm cách giảm nhỏ các sóng hài bậc cao hoặc tốt nhất là làm triệt tiêu được các sóng hài tần số thấp trong các sóng hài bậc cao Người ta đã tìm ra nhiều phương pháp để nâng cao chất lượng điện áp ra nghịch lưu.Với nguyên lý làm việc như trên ta có dạng điện áp thường mỗi nửa sóng hình sin là xung hình chữ nhật Ngoài sóng hài bậc nhất còn có rất nhiều sóng hài bậc cao như sóng hài bậc 3, bậc 5, bậc 7…

Các sóng hài bậc cao này ảnh hưởng tới các phụ tải điện làm giảm hiệu suất cũng như tuổi thọ của thiết bị Do đó cần cải thiện chất lượng điện áp của các bộ nghịch lưu này sử dụng một số biện pháp nâng cao chất lượng đầu ra như : sử dụng mạch lọc, tạo nhiều cấp điện áp, sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung hình sin

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Đặt vấn đề

Để xây dựng được bộ biến đổi hoàn chỉnh gồm có phần cứng và phần mềm

Trong luận văn này tập trung vào thiết kế phần mềm cho bộ điều khiển của bộ biến đổi Phần nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng của bộ biến đổi đã được

xây dựng trong luận văn của học viên Phạm Đình Lịch tuy nhiên để xây dựng

được lưu đồ thuật toán cũng như viết được phần mềm cần giới thiệu một cách sơ lược về cấu trúc phần cứng, sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi theo luận văn đã có sẵn

2.2 Cấu trúc phần cứng của bộ biến đổi

Trong phần này luận văn không thực hiện tính toán mà lấy kết quả tính toán của luận văn đã có sẵn, ở đây chỉ thực hiện giới thiệu về sơ đồ nguyên lý và một số linh kiện có thông số cụ thể để viết phần mềm

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực

Từ những so sánh về sơ đồ mạch lực cho bộ biến đổi như ở phần trên, ta chọn sơ đồ mạch lực là mạch cầu sử dụng Transistor

2.2.2 Phần mạch điều khiển

C1.1 1000u

C1.2 220u

C1.3 220u 1

+ J1: Rắc cấp nguồn xoay chiều 13,5v cho bộ chỉnh lưu cầu

2.2.2.2 Mạch điều khiển (tiền khuếch đại)

- Là mạch khuếch đại xung, kích từ 5v lên 12v để điều khiển công suất

+ Điện trở R12.1 là điện trở hạn dòng và lấy xung PWM từ IC U3.1

+ Điện trở R12.2 và R12.3 tạo thành cầu phân áp cho Mosfet công suất + Q12.1, Q12.3 là 2 tranzitor làm nhiệm vụ khuếch đại xung PWM Tra cứu trong bảng tra tranzitor nên ta chọn 2SC2383 đảm bảo về hệ số khuếch đại, dòng điện và tần số làm việc

+ Q12.2 là tranzitor làm nhiệm vụ khóa mạch công suất Tra bảng tra cứu tranzitor ta chọn tranzitor 2SA1013

2.2.2.3 Mạch đo điện áp vào

- Mục đích là đo điện áp cấp cho BBĐ Vì nếu cấp cho BBĐ điện áp lớn hơn 20v sẽ gây nên hỏng một số linh kiện, còn cấp điện áp thấp cho BBĐ sẽ gây

ra hiện tượng quá tải và ảnh hưởng đến tuổi thọ của ắc quy

Chân 25 U3.1 13.5v

RV3.120K

R3.215k

R3.156k

C3.4

Hình 2.5: Mạch phản hồi điện áp

- Tác dụng linh kiện :

+ Biến trở RV3.1 là biến trở có thể điều chỉnh điện áp cấp cho mạch

+ Điện trở R3.1 và R3.2 tạo thành cầu phân áp

+ Tụ C3.4 là tụ lọc

2.2.2.5 Mạch bảo vệ quá nhiệt độ

- Dùng cảm biến nhiệt độ để kiểm tra nhiệt độ của BBĐ, khi nhiệt cao hơn

500Cthì bật quạt làm mát

5v

12V PB0/ICP1

14 PB1/OC1A 15

PB2/SS/OC1B 16

PB3/MOSI/OC2 17

PB4/MISO 18

PB5/SCK 19

PB6/TOSC1/XTAL1 9

PB7/TOSC2/XTAL2

1 PD0/RXD 2PD1/TXD 3PD2/INT0 4PD3/INT1 5PD4/T0/XCK 6PD5/T1 11PD6/AIN0 12PD7/AIN1 13

PC0/ADC0 23PC1/ADC1 24PC2/ADC2 25PC3/ADC3 26PC4/ADC4/SDA 27PC5/ADC5/SCL 28

AREF 21 AVCC 20

U3.1

ATMEGA8

Q6.1 2SC2383

D6.1 DIODE

R4.1 56k

R4.2 30k

+tc

RT4.1 KTY81-1XX

Unh

Hình 2.6: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ

2.2.2.6 Mạch bảo vệ quá tải

PB7/TOSC2/XTAL2

10 PC6/RESET

1 PD0/RXD 2PD1/TXD 3PD2/INT0 4PD3/INT1 5PD4/T0/XCK 6PD5/T1 11PD6/AIN0 12PD7/AIN1 13

PC0/ADC0 23PC1/ADC1 24PC2/ADC2 25PC3/ADC3 26PC4/ADC4/SDA 27PC5/ADC5/SCL 28

AREF 21 AVCC 20

TR1.1

TRAN-1P2S

L1 L2 L3

Hình 2.7: Mạch bảo vệ quá tải

- Tác dụng linh kiện :

+ Biến áp TR1.1: Là biến áp công suất

+ Biến áp TR2.1 : Là biến áp xung để phản hồi dòng điện quá tải

+ R tải : Là điện trở tải

+ RL8.2 : Là rơ le cấp điện áp 220v cho tải

+ RL8.1 : Là rơ le dự phòng (cấp nguồn vào)

+ Q8.1 và Q8.2 là hai tranzitor đóng mở RL8.1 và RL8.2

+ IC U2.1 là IC LM393 làm nhiệm vụ khuếch đại dòng điện được phản hồi

từ biến áp TR2.1

2.2.2.7 Mạch hiển thị

19 18

17 16

+ Báo BBĐ đang làm việc ở chế độ nghịch lưu bằng cách sáng đèn LED màu vàng

+ Báo BBĐ đang ở chế độ bảo vệ bằng cách nhấp nháy đèn LED màu đỏ + Báo điện áp ra bằng đồng hồ vol

Ngoài các đèn Led báo chế độ làm việc và chế độ bảo vệ của BBĐ còn có

hệ thống còi để báo hiệu

Hình 2.9 : Hệ thống còi báo hiệu

2.2.3 Sơ đồ nguyên lý phần cứng bộ biến đổi DC - AC

Từ các khối đã chọn luận văn xây dựng sơ đồ nguyên lý phần cứng bộ biến

đổi DC – AC như phụ lục 1

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM BỘ BIẾN ĐỔI DC - AC 3.1 Đặt vấn đề

Để giải quyết nhu cầu của thị trường về bộ biến đổi điện áp DC - AC giải quyết tình huống mất điện lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên việc

“Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lượng cao” với

những ưu điểm là: Linh kiện sẵn có tại thị trường Việt Nam, đảm bảo về chất lượng điện áp ra, làm việc ổn định, dễ sử dụng và giá thành phù hợp với thu nhập của người dân Việt Nam là rất quan trọng

Dựa trên cấu trúc phần cứng đã được xây dựng đó trong luận văn này trình bày thiết kế phần mềm điều khiển bộ biến đổi DC - AC để đảm bảo điện áp

ra có chất lượng cao: Dạng sine chuẩn, triệt tiêu sóng hài bậc cao chỉ còn dạng sóng hài cơ bản, hiệu suất công suất bằng 1

3.2 Giới thiệu cấu trúc chung của bộ biến đổi

Chuyển đổi

DC - AC

Chuyển mạch

Bộ điều khiển trung tâm

Phím ấn

Hồi tiếp

Ắc quy

220 VAC Điện lưới

Tải Nguồn

Phần mềm điều khiển

3.3 Chức năng các khối

* Nguồn

- Tạo ra nguồn ổn áp 5VDC cấp cho khối điều khiển trung tâm

- Hạn chế dòng từ ắc quy để cấp cho khối chuyển mạch

* Bộ điều khiển trung tâm

- Tạo dao động 50Hz đưa tới điều khiển khối biến đổi DC – AC

- Mã hóa dữ liệu nhận về từ khối hồi tiếp

- Điều khiển khối chuyển mạch

* Phím ấn

Khối thực hiện giao tiếp giữa bộ nghịch lưu và người sử dụng, khối này cho người sử dụng biết về các thông số đang hoạt động Nhận các yêu cầu điều khiển của người dùng sau đó truyền về bộ xử lý trung tâm để thực hiện yêu cầu đó

* Biến đổi DC – AC

- Thực hiện biến đổi tín hiệu một chiều từ ắc quy thành tín hiệu xoay chiều,

có tần số là tần số cấp tới từ bộ điều khiển trung tâm

- Thực hiện lọc tín hiệu đầu ra

3.4 Vi điều khiển ATmega 8

3.4.1 Giới thiệu tổng quan

Giới thiệu AVR:

Đây là một lọai vi điều khiển có nhìều tính năng đặc biệt thích hợp cho việc giải quyết những bài toán điều khiển trên nền vi xử lý

+ Các lọai vi điều khiển AVR rất phổ biến trên thị trường Việt Nam nên không khó khăn trong việc thay thế và sửa chữa hệ thống lúc cần

+ Giá thành của dòng vi điều khiển này rẻ

+ Các phần mềm lập trình và mã nguồn mở có thể tìm kiếm dễ dàng trên mạng Các thiết kế demo nhiều nên có nhiều gợi ý tốt cho người thiết kế hệ thống

- Vi điều khiển AVR do hãng Atmel (Hoa kỳ) sản xuất, được giới thiệu lần đầu tiên năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny (như

At tiny 13, At tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR ( chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega 16, Atmega 32, ATmega 128…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với

bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR) Tốc

độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau

- ATmega 8 là một loại vi điều khiển có nhiều tính năng đặc biệt thích hợp cho việc giải quyết những bài toán điều khiển trên nền vi xử lý