NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo bộ BIẾN đổi DC – AC CHẤT LƯỢNG CAO

Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến đổi BBĐ là bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tức là; Khi đưa nguồn một chiều tới đầu vào của bộ nghịch lưu, thì đầu ra của bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC

1.1.Khái niệm chung về BBĐ

1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến đổi

BBĐ là bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tức là; Khi đưa nguồn một chiều tới đầu vào của bộ nghịch lưu, thì đầu ra của bộ nghịch lưu có điện áp xoay chiều tương ứng, tần số có thể thay đổi được theo yêu cầu của phụ tải

1.2 Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ

1.2.1, Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu

Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà ta thiết kế bộ nghịch lưu là một pha hay ba pha Trong phạm vi của đề tài ta chỉ nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha

1.2.1.1 Nghịch lưu dòng một pha:

- Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch điện tương đương của

Nghịch lưu nguồn dòng 1 pha tải RL Dòng i n phẳng, không đổi ở

một giá trị tải, được đóng ngắt thành nguồn AC cung cấp cho tải

- Kết luận: Với dòng điện AC trên tải là những xung vuông thì chưa đáp ứng được yêu cầu của đề tài này

1.2.1.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa:

- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.3

MCR12DCMT4

TAI

Ld

Hình 1.3 : Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa

- Với sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa cho chất lượng điện áp ra chưa đạt yêu cầu của đề tài, nên ta phân tích thêm một số

sơ đồ khác để đi đến lựa chọn sơ nào có chất lượng điện áp ra tốt hơn

1.2.1.3 Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu:

S4

S3

D3 D4

C

V

Tai Vo

Hình 1.4 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu

1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

a.Dạng sóng sin mô phỏng:

Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây

Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE) [3]

b, Dạng sóng true sin:

Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp

* Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) bằng linh kiện điện tử số: Quy trình này được mô tả trong hình1.6

Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [4]

* Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM), dùng vi điều khiển(VĐK) hay vi xử lý để điều biến theo phương pháp điều chế theo mẫu:

- Dùng VĐK để tạo sóng sin, thực chất là thay thế sóng sin bằng dạng sóng nấc thang như hình sau:

Hình 1.7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang

- Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng Khi điều chế đối xứng, số giá trị hình sin trong một chu kỳ bằng bội số điều chế N

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng

- Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức

- Sử dụng VĐK có ưu điểm sau:

1.2.1.5 Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H)

- Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H Bằng cách điều khiển các khóa trong mạch

ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H c

1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC

Thực tế có nhiều cách để cấp nguồn DC cho BBĐ, như dùng

điện thu được từ pin mặt trời, pin nhiên liệu hay ắc quy, siêu tụ điện… Với mục tiêu của đề tài là chế tạo BBĐ dùng trong sinh hoạt cho các hộ gia đình, để thuận tiện trong việc ứng

dụng nên ắc quy là lựa chọn phù hợp

1.2.2.1, Giới thiệu chung về Ắc quy

1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93

1.3 Giới thiệu về Atmega8

1.3.1.Tổng quan về Atmega8

* Giới thiệu về vi điều khiển AVR

* Sơ đồ chân chíp Atmega8 Chip Atmega8 được đóng gói

trong hai dạng vỏ khác nhau như hình 1.10

Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8

* Thông số kỹ thuật :

- 32 x 8 thanh ghi làm việc mục đích chung

- Tốc độ hoạt động lên đến 12 triệu lệnh/s tại tần số 12MHz

- Bộ nhớ;

+ 8KB bộ nhớ chương trình dạng flash có thể tự lập trình trong hệ thống

+ 1KB SRAM trên chip

+ 1 timer/counter 16 bít với bộ Prescaler độc lập, chế độ so sánh

+ 2 kênh điều chỉnh độ rộng xung PWM

+ Khối chuyển đổi tương tự - số (ADC) 8 kênh, 10 bit + Giao tiếp nối tiếp

1.3.2.Sơ đồ khối

1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ

1.3.4.1 Giới thiệu về Timer/Counter

- Timer/Counter0: Là một bộ định thời, đếm đơn giản với 8

bit Gọi là đơn giản vì bộ này chỉ có một chế độ hoạt động (mode) so với 5 chế độ của Timer/Counter1 Chế độ hoạt động của Timer/Counter0 thực chất có thể coi như hai chế độ nhỏ (và cũng là hai chức năng cơ bản) đó là tạo ra một khoảng đếm thời gian và đếm

sự kiện

- Timer/Counter1: Là bộ định thời, đếm đa năng 16 bit Bộ

Timer/Counter có 5 chế độ hoạt động chính Ngoài các chức năng

thông thường, Timer/Counter1 còn được dùng để tạo ra xung điều rộng PWM dùng cho các mục đích điều khiển Có thể tạo ra 2 tín hiệu PWM độc lập trên các chân OC1A (chân15) và OC1B (chân 16) bằng Timer/Counter1

- Timer/Counter2: Tuy là module 8 bit như Timer/Counter0

nhưng Timer/Counter2 có đến 4 chế độ hoạt động như Timer/Counter1, ngoài ra nó còn được sử dụng như môt module canh chỉnh thời gian cho các ứng dụng thời gian thực (chế độ asynchronous) Chế độ asynchronous của Timer/Counter2 sẽ được

bỏ qua vì chế độ này không được sử dụng phổ biến Trước khi khảo sát hoạt động của các Timer/Counter, ta thống nhất cách gọi các Timer/Counter là T/C, ví dụ T/C1 để chỉ Timer/Counter1…

1.3.4.2 Sử dụng Timer/Counter

a, Một số khái niệm:

b,Timer/Counter1:

- Timer/Counter1 là bộ thanh ghi 16 bit, đa chức năng Đây

là bộ T/C lý tưởng cho lập trình đo lường và điều khiển vì có độ phân giải cao (16bit) và có khả năng tạo xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation)

- OCR1A và OCR1B (Output Compare Register A và B): Cần phải lưu ý đến khái niệm là Output Compare Trong lúc T/C hoạt động, giá trị thanh ghi TCNT1 tăng, giá trị này được liên tục so sánh với các thanh ghi OCR1A và OCR1B (so sánh độc lập với từng thanh ghi), việc so sánh này trên AVR gọi là Output Compare

1.3.4.3 Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)

- Trong chế độ Fast PWM, 1 chu kỳ được tính trong 1 lần đếm từ BOTTOM lên TOP (single-slope), vì thế mà chế độ này gọi

là Fast PWM (PWM nhanh) Hình 1.22: mô tả ngõ ra qua biểu đồ thời gian như sau:

không tốn quá nhiều thời gian

1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số (ADC)

- Độ chính xác của bộ ADC: Bộ ADC 10 bít chuyển đổi điện

- Kết quả chuyển đổi ADC:

+ Sau khi chuyển đổi hoàn thành (ADIF = 1), kết quả được lưu trong 2 thanh ghi ADCL và ADCH

+ Đối với chuyển đổi đơn cực kết quả là: ADC

ref

.1024

in

V V

1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA

1.3.6.2 Thanh ghi dữ liệu của bộ ADC- ADCH và ADCL

1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC B – ADCSRB 1.3.7.Các thanh ghi Port xuất nhập

1.3.7.1 Giới thiệu

1.3.7.2 Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường

CHƯƠNG 2:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI

Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi điện áp từ 12v một chiều, thành điện áp 220v xoay chiều, tần số từ 50Hz đến 60Hz cần rất nhiều thời gian, từ khảo sát, thiết kế phần cứng, viết phần mềm, khảo sát chất lượng điện áp đầu ra, công suất trên tải…Với thời gian có hạn nên em chỉ tập trung thiết kế phần cứng của bộ biến đổi, gồm:

Bo mạch chính, biến áp công suất và kết hợp với phần mềm do đề tài khác thiết kế, để hoàn thiện BBĐ

2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ

2.1.1 Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển

- Từ sơ đồ chân của chip ta đặt các ngõ vào, ra như sau:

Hình 2.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK

2.1.2 Thiết kế khối nguồn cho VĐK

BR1.1

BRIDGE

VI 1

VO 3

U1.1 7812

VI 1

VO 3

U1.2 7805

C1.1 1000u

C1.2 220u

C1.3 220u 1

J1

CONN-H2

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

2.1.3.Mạch điều khiển (tiền khuếch đại)

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

Hình 2.5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)

2.1.4 Mạch đo điện áp vào Sơ đồ mạch điện như hình 2.6

2.1.5 Mạch phản hồi điện áp - Sơ đồ mạch điện như hình 2.7:

Chân 25 U3.1 13.5v

2.1.6 Mạch bảo vệ quá nhiệt độ

- Sơ đồ mạch điện như hình 2.8

5v

12V

PB 0/ICP1 14

PB 1/OC1A 15

PB 2/S S/OC1B 16

PB 3/MOS I/ OC2 17

PB 4/MISO 18

PB 5/SCK 19

PB 6/TOSC1/XTAL1 9

PB 7/TOSC2/XTAL2

10 PC6/RES ET 1

PD0/RXD 2 PD1/TXD 3 PD2/ INT0 4 PD3/ INT1 5

P D4/T0/XCK 6

P D5/T1 11 PD6/AIN0 12 PD7/AIN1 13

PC0/A DC0 23 PC1/A DC1 24 PC2/A DC2 25 PC3/A DC3 26

P C4/A DC4/SDA 27 PC5/ADC5/SCL 28

AREF 21

AV CC 20

U 3 1

ATME GA8

Q 6 1 2S C2383

D 6.1 DIODE

kR Q U A T

R 6.1 1k

R 4 1 56k

R 4.2 30k

+tc

R T 4.1 KTY 81-1X X

Unh

Hình 2.8: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ

2.1.7.Mạch bảo vệ quá tải

- Sơ đồ mạch điện như hình 2.9

10 PC6/RESET 1 PD0/RXD 2

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

PC0/ADC0 23 PC1/ADC1 24 PC2/ADC2 25 PC3/ADC3 26 PC4/ADC 4/SDA 27 PC5/ADC5/SCL 28

AR EF 21 AVCC 20

TR1.1

TRAN- 1P2S

L1 L2 L3

Hình 2.9: Mạch bảo vệ quá tải

2.1.8 Mạch hiển thị

- Sơ đồ mạch điện như hình 2.10

19 18 17 16

- 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 1.11

5v

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

10 PC6/RESET 1 PD0/RXD 2 PD1/TXD 3 PD2/INT0 4 PD3/INT1 5 PD4/T0/XCK 6 PD5/T1 11 PD6/AIN0 12 PD7/AIN1 13

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

AREF 21 AVCC 20

* Biến áp công suất: Để khắc phục hiện tượng quá dòng khi

khởi động (dùng tải điện cảm) nên ta chọn biến áp công suất là biến

áp lõi silic

* Biến áp phản hồi dòng: phương án lựa chọn biến áp này

là sử dụng biến áp xung (lõi phe rit)

2.1.10 Sơ đồ nguyên lý mạch điện

2.1.10.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ

2.1.10.2 Mạch in sau khi thiết kế

Hình 2.13: Mạch in

2.2 Lưu đồ thuật toán

2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra

2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển

2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển

2.2.4 Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải

2.2.5 Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC 2.3 Chế tạo

- Linh kiện điện tử;

- Thiếc hàn, nhựa thông;

- Dây điện, Jắc cắm, công tắc…

2.3.2 Lắp ráp mạch điện

* Mạch điện chưa lắp ráp linh kiện

Hình 2.21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện

* Mạch điện sau khi lắp ráp linh kiện:

Hình 2.32a: Phía dưới của mạch điện

Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện

2.3.3 Chế tạo biến áp

2.3.3.1 Biến áp phản hồi dòng điện

- Hình ảnh biến áp sau khi chế tạo

Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện

2.3.3.2 Biến áp Công suất

- Hình ảnh cuộn dây máy biến áp sau khi chế tạo

Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất

CHƯƠNG 3:

KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BBĐ 3.1 Thiết bị để kiểm tra

3.1.1 Đồng hồ đo điện áp ra trên tải

Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng

3.1.2 Đồng hồ đo L,R,C

Hình 3.2: Đòng hồ đo R,L,C

3.1.3 Máy hiện sóng Dùng để kiểm tra dạng sóng ra trên tải

Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope)

3.2 Kết quả của đề tài

- Đề tài đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển phần nghịch lưu BBĐ từ 12v thành 220v xoay chiều sin, BBĐ có công suất 500W Sau đây là hình ảnh thực tế kết quả sau thực nghiệm

Hình 3.4: Sơ đồ nối điện áp ra với ổ cấm điện

Hình 3.5: Điện áp ra trên tải là 220V

- Dạng sóng ra trên tải:

Hình 3.6: Dạng sóng của điện áp trên tải

Hình 3.7: Dạng sóng điện áp ra khi không tải

Hình 3.8: Dạng sóng điện áp ra trên tải là bóng đèn sợi đốt 300W

Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.8

- Dạng sóng của điện áp ra, khi tải là 02 bóng đèn tuýp

Hình 3.10: Dạng sóng điện áp ra, khi tải là 02 đèn tuýp

Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.10

- Dạng sóng ra trên tải khi tải là 02 quạt điện (02 x 45W/cái)

Hình 3.12: Dạng sóng điện áp ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện

Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.12

Hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ dạng sóng hình 3.12

Hình 3.15: Chụp BBĐ từ trên xuống

Hình 3.16: Chụp mặt trước của BBĐ

* Nhận xét:

- Điện áp ra là 220V, tần số là 55Hz và dạng sóng ra dạng sin (có độ méo nhỏ), hoàn toàn có thể đáp ứng được với tải là các thiết bị điện dân dụng

- Vận hành thử nghiệm BBĐ, với tải là 02 quạt điện, hoạt động liên tục trong thời gian là 5h, kết quả là: Quạt chạy êm không gây tiếng ồn và không phát nóng

- Điện áp ra trên tải luôn ổn định do có phản hồi điện áp

- Bảo vệ quá tải bằng mạch vòng phản hồi dòng điện, nếu có hiện tượng quá tải xảy ra thì ngắt xung PWM Bảo vệ ngắn mạch ở đầu ra dùng cầu chì

- Bảo vệ quá nhiệt độ cho BBĐ bằng quạt

- Bảo vệ điện áp vào quá cao hay quá thấp bằng mạch đo điện áp

- Tần số ra trên tải 55 Hz phù hợp với thiết bị điện tại Việt Nam

* Kết luận: Từ kết quả thực nghiệm trên, có thể nói rằng em

đã hoàn thành việc thiết kế phần cứng BBĐ DC-AC Với điện áp ra

ổn định 220v, tần số 55Hz và sóng sin (có độ méo nhỏ), hoàn toàn có thể đáp ứng được với các thiết bị dân dụng Tuy nhiên nếu cung cấp điện áp cho các thiết bị chuyên dụng, hoặc các thiết bị yêu cầu chất lượng điện áp cao hơn, thì cần phải thiết kế thêm mạch lọc

3.3 Hướng phát triển

- Phát triển thành bộ inverter dùng trong gia đình

- Có thể phát triển thành bộ thí nghiệm dùng giảng dạy và

học tập các môn; Điện tử công suất, Vi điều khiển

- Nếu tích hợp mạch nạp cho IC VĐK trên cùng bo mạch chính, để thay đổi nội dung chương trình phần mềm, mục đích là để thay đổi tần số điện áp ra trên tải thì có thể sử dụng như biến tần 1 pha