Đồ án chuyên ngành thiết kế mạch đo áp xoay chiều 3 pha cho bộ khởi động mềm

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ MẠCH ĐO ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA CÁCH LY CHO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ 2 LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 4 1.1. Khởi động mềm 4 1.2. Vấn đề đo điện áp 5 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG 6 2.1. Khối phân áp vào 7 2.2. Khối khuếch đại đo lường 7 2.3. Khối hiệu chỉnh 8 2.4. Khối nguồn 9 2.5. Mô phỏng 10 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 13 3.1. Thiết kế mạch in 13 3.2. Quá trình kiểm tra mạch 14 3.3. Kết quả đo với nguồn 3 pha 15 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀ NỘI, 6-2015

Mục lục

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ 2

L I NÓI ỜI NÓI ĐẦU ĐẦU 3 U CH ƯƠNG 1 NG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ T V N ẤN ĐỀ ĐỀ 4

1.1 Kh i ởi động mềm động mềm ng m m ềm 4

1.2 V n ấn đề đo điện áp đềm đ đ ện áp o i n áp 5

CH ƯƠNG 1 NG 2 THI T K NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PH NG ẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG ẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG ỎNG 6

2.1 Kh i phân áp v o ối phân áp vào ào 7

2.2 Kh i khu ch ối phân áp vào ếch đại đo lường đại đo lường đ ường 7 i o l ng 2.3 Kh i hi u ch nh ối phân áp vào ện áp ỉnh 8

2.4 Kh i ngu n ối phân áp vào ồn 9

2.5 Mô ph ng ỏng 10

CH ƯƠNG 1 NG 3 TH C NGHI M VÀ K T QU ỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ỆM VÀ KẾT QUẢ ẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG Ả 13

3.1 Thi t k m ch in ếch đại đo lường ếch đại đo lường ại đo lường 13

3.2 Quá trình ki m tra m ch ểm tra mạch ại đo lường 14

3.3 K t qu o v i ngu n 3 pha ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha đ ới nguồn 3 pha ồn 15

CH ƯƠNG 1 NG 4 K T LU N ẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG ẬN 16

TÀI LI U THAM KH O ỆM VÀ KẾT QUẢ Ả 17

Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1- 1: C u trúc b kh i ấn đề đo điện áp ộng mềm ởi động mềm động mềm ng m m ềm

Hình 2- 1: S ơ đồ khối mạch đo điện áp 3 pha đồn kh i m ch o i n áp 3 pha ối phân áp vào ại đo lường đ đ ện áp 6

Hình 2- 2: Tín hi u c n o v tín hi u sau bi n ện áp ần đo và tín hiệu sau biến đổi đ ào ện áp ếch đại đo lường đổi 6 i Hình 2- 3: Tín hi u sau offset ện áp 7

Hình 2- 4: Kh i phân áp ối phân áp vào 7

Hình 2- 5: Kh i khu ch ối phân áp vào ếch đại đo lường đại đo lường đ ường 8 i o l ng Hình 2- 6: Kh i hi u ch nh ối phân áp vào ện áp ỉnh 9

Hình 2- 7: Ngu n ồn đối phân áp vào ứng i x ng ±12V 9

Hình 2- 8: Ngu n +5V ồn 9

Hình 2- 9: K t qu mô ph ng trên Multisim ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ỏng 10

Hình 2- 10: K t qu mô ph ng trên multisim khi có nhi u 60V, 100kHz ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ỏng ễu 60V, 100kHz 10

Hình 2- 11: K t qu mô ph ng trên proteus ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ỏng 11

Hình 2- 12: K t qu mô ph ng trên proteus khi có nhi u 20V, 10kHz ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ỏng ễu 60V, 100kHz 12

Y Hình 3- 1: M ch in l p trên ại đo lường ới nguồn 3 pha 13

Hình 3- 2: M ch in l p d ại đo lường ới nguồn 3 pha ưới nguồn 3 pha 13 i Hình 3- 3: Hình nh m ch th c ả đo với nguồn 3 pha ại đo lường ực 14

Hình 3- 4: Các đần đo và tín hiệu sau biến đổi u ra khi ch a ư đặt áp vào t áp v o ào 14

Hình 3- 5: K t qu t ng pha ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ừng pha 15

Hình 3- 6: Que o cách ly đ 15

Hình 3- 7: K t qu th c nghi m v i 3 pha ếch đại đo lường ả đo với nguồn 3 pha ực ện áp ới nguồn 3 pha 15

2

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Khởi động động cơ bằng bộ khởi động mềm có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động,trong khi vẫn sinh ra mômen khởi động đủ lớn Với bộ khởi động mềm cần phải đo

điện áp đầu vào, đầu ra để điều khiển một cách hợp lý Ngoài ra, việc đo điện áp còn đểgiám sát, bảo vệ quá áp, thấp áp…

Vì thế mục tiêu của đồ án là thiết kế mạch đo điện áp lưới 3 pha (220/380V), tần số 50Hz có đầu ra là điện áp nằm trong khoảng 0-5V để có thể đưa vào vi điều khiển

Đồ án được thực hiện bao gồm 4 chương:

- Chương 1: Đặt vấn đề: Trình bày về bộ khởi động mềm và vấn đề đo điện áp

- Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

- Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

- Chương 4: Kết luận

Xin chân thành cảm ơn ThS Võ Duy Thành đã tận tâm hướng dẫn trong quá trình em thực hiện đồ án Những kiến thức, kinh nghiệm mà thầy truyền đạt đã giúp em tránh khỏi những bỡ ngỡ ban đầu khi thực hiện thiết kế cũng như thi công mạch thực

Do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm còn thiếu nên đồ án không thể tránh khỏi

những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy, cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Thạch

3

Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ biến đổi bán dẫn có điều chỉnh điện áp xoay chiều trên cơ sở các tiristo mắc song song ngược Đó là bộ khởi động mềm có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động và sinh ra mômen đủ lớn cho động cơ trong quá trình khởi động.

Mục lục

+) Driver

Driver có nhiệm vụ nhận điện áp điều khiển 0-10V từ đó tính toán và xuất ra xung điềukhiển tiristo

+) Mạch điều khiển, bảo vệ

Dựa vào tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi mà tính toán để xuất điện áp điều khiển Khi

có sự cố xảy ra (quá áp, quá dòng…) thì mạch bảo vệ sẽ hoạt động

+) Giao tiếp: hiển thị các tham số và cài đặt các tham số

+) Mạch đo điện áp, dòng điện (có thể ghép vào phần điều khiển của bộ khởi động mềm)

Bộ khởi động mềm hoạt động trên cơ sở mạch điều áp xoay chiều 3 pha Khi thay đổi góc điều khiển α thì điện áp hiệu dụng ra tải thay đổi

1.2.Vấn đề đo điện áp

Để có thể tính toán được thời điểm phát xung cho tiristo thì cần biết thời điểm chuyển mạch qua không của điện áp lưới 3 pha Do đó cần phải đo điện áp pha của lưới Để điều khiển thì cần đo điện áp ra rồi phản hồi so sánh với điện áp đặt, từ đó qua bộ điều khiển xuất ra tín hiệu điều khiển Ngoài 2 vấn đề vừa nêu, việc đo điện áp còn dùng để giám sát, bảo vệ khi quá áp hoặc thấp áp…

Có 2 phương pháp đo: lấy đỉnh, tức thời

- Lấy đỉnh thì đơn giản, nhưng tốc độ khá chậm, điện áp phải có dạng sin hoặcgần sin

- Tức thời thì nhanh, phù hợp với các dạng điện áp khác nhau, tuy nhiên cần

bộ xử lý có tần số hoạt động lớn

Với bộ khởi động mềm, điện áp ra là không sin Vì vậy cần dùng phương pháp đo tức thời để đo điện áp pha

Mục lục

CHƯƠNG 2.

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG

Từ vấn đề được đặt ra, có sơ đồ tổng quan mạch đo như sau:

Hình 2- 1: Sơ đồ khối mạch đo điện áp 3 pha

Về mặt lý tưởng điện áp Upha=220V (hiệu dụng), tuy nhiên với lưới thực tế thì luôn có nhiễu Do đó, khi thiết kế sẽ tính với Upha=250V

Với lưới điện, điện áp sẽ dao động sin quanh điểm 0 Nếu mạch đo chỉ có tác dụng biến đổi điện áp cần đo về dạng sin và dao động quanh điểm 0 thì vẫn chưa thỏa mãn

Vì điện áp tham chiếu của vi điều khiển là 0-5V, nên khi đầu ra của mạch đo nằm ở phần âm thì kết quả vi điều khiển thu được luôn là 0 Thế thì cần phải chỉnh điểm 0 (offset) lên 2,5V

Khi đó, hệ số biến đổi của mạch đo cần thỏa mãn:

k bđ< 2,5

250√2≈ 0,00707

Hình 2- 2: Tín hiệu cần đo và tín hiệu sau biến đổi

7

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 3: Tín hiệu sau offset

3.1 Khối phân áp vào

Vì cần đo điện áp theo từng pha nên khối phân áp vào được mắc theo hình sao, điểm trung tính là n

Như vậy điện trở 220k cần dùng loại công suất 1W, điện trở 3.3k dùng loại 1/4W

Hệ số biến đổi tại khâu phân áp vào là: k 1= 3,3

220+3,3=

3,3223,3≈ 0,01478

8

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

3.2.Khối khuếch đại đo lường

Khối khuếch đại đo lường sử dụng 3 khuếch đại thuật toán (Opam) Đó là sự kết hợp giữa mạch lặp lại và mạch khuếch đại điện áp; có ưu điểm là trở kháng vào lớn, hạn chế nhiễu đồng pha, độ ổn định cao, tổng trở ra thấp Với ưu điểm trở kháng vào lớn như vậy thì mạch có tác dụng cách ly phần lực với phần điện áp thấp phía sau

Hình 2- 5: Khối khuếch đại đo lường

Các diode có tác dụng hạn chế điện áp đưa vào Các tụ được thêm vào có tác dụng chống nhiễu cho mạch

Hệ số biến đổi là: k 2=1+100+1

100 .

2,2+2,2

10 =1,02.0,44=0,4488 Suy ra hệ số biến đổi của cả 2 khối:

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

áp tham chiều 2,5V chuẩn Do LM336 đắt hơn và khó mua nên sẽ dùng TL431 để thiết kế

Với mạch này cần xoay biến trở để đạt được đầu ra 2,5V khi không tải

Khi qua Opam thứ nhất, tín hiệu sẽ được cộng offset lên 2,5V

Khi qua Opam thứ hai, tín hiệu sẽ dạng sin đồng pha với điện áp cần đo

Hình 2- 6: Khối hiệu chỉnh

3.4 Khối nguồn

Các IC khuếch đại thuật toán cần nguồn cung cấp đối xứng ±12V nên khối nguồn có LM7812 để tạo điện áp +12V và LM7912 để tạo điện áp -12V Do đó cần có biến áp đối xứng hạ từ điện áp lưới 220V, 50Hz xuống 15V, 50Hz rồi qua chỉnh lưu

Hình 2- 7: Nguồn đối xứng ±12V

TL431 dùng nguồn +5V nên khối nguồn có thêm LM7805 để tạo điện áp +5V

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Kết quả mô phỏng khi đo 1 pha

Hình 2- 9: Kết quả mô phỏng trên Multisim

Kết quả mô phỏng khi đo 1 pha và có nhiễu cao tần (60V/100kHz)

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 10: Kết quả mô phỏng trên multisim khi có nhiễu 60V, 100kHz

Phần mềm mô phỏng proteus

Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Labcenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả

Kết quả mô phỏng

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 11: Kết quả mô phỏng trên proteus

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 12: Kết quả mô phỏng trên proteus khi có nhiễu 20V, 10kHz.

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

CHƯƠNG 4.

Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ

5.1 Thiết kế mạch in

Để thiết kế mạch in có thể dùng phần mềm altium, orcard, ares (trong proteus),

eagle…

Phần mềm altium có bộ thư viện lớn, hỗ trợ nhiều, đồ họa đẹp Trong quá trình làm đồ

án, phần mềm altium được dùng để thiết kế mạch in

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình ảnh thực

Hình 3- 3: Hình ảnh mạch thực

Phần điện áp cao được vẽ tách riêng và không phủ đồng

5.2 Quá trình kiểm tra mạch

Kiểm tra nguồn: đo thông mạch đầu vào xoay chiều, đo thông mạch +12V với GND,

đo thông mạch -12V với GND, đo thông mạch +5V với GND Cắm nguồn: các led sáng bình thường, tản nhiệt mát

Khi không tải thì các đầu ra là 2,5V (cần xoay biến trở để đạt được đầu ra 2,5V)

Đầu ra pha c

Hình 3- 4: Các đầu ra khi chưa đặt áp vào

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

CHƯƠNG 6.

Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

6.1.Kết quả đo với nguồn 3 pha

Vì oscilloscope thiếu que đo cùng loại nên trước tiên tiến hành đo từng pha để kiểm trabiên độ

Pha a Pha b Pha c

Hình 3- 5: Kết quả từng pha

Dạng sóng ra sin, biên độ gần bằng nhau

Tiếp theo dùng 2 que đo cùng loại và 1 que đo cách ly, để kiểm tra góc lệch pha

Hình 3- 6: Que đo cách ly

Kết quả đo với cả 3 pha

Hình 3- 7: Kết quả thực nghiệm với 3 pha

19

Chương 4: Kết luận

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN

Dạng điện áp đo được sin, kết quả trong khoảng 0-5V có thể đưa vào vi điều khiển Kết quả có nhiễu, biên độ có sự chênh lệch nhỏ, đó là do các tụ lọc chưa tốt, các điện trở có giá trị sai số lớn Vì thế cần dùng tụ tốt hơn, trở có độ chính xác cao hơn (trở xanh với sai số nhỏ hơn 1%)

Một số điểm cần bổ sung khi thiết kế mạch in: đèn báo nguồn 3 pha, các cầu đấu đưa tín hiệu ra ngoài

Qua đồ án này em đã nắm được cách sản xuất ra một sản phẩm thực tế: thiết kế nguyên

lý, thiết kế mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra mạch cho tới tối ưu mạch

Mạch đo điện áp được thiết kế để ứng dụng vào bộ khởi động mềm Nhưng vì thiết kế dưới dạng module nên cũng có thể áp dụng được cho những ứng dụng khác, chẳng hạn như để đánh giá chất lượng điện năng

20

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Trọng Minh Giáo trình Điện tử công suất Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam

[4] B E Noltingk Instrumentation Reference Book (Second edition) 1995.

[5] Nguyễn Trinh Đường (chủ biên), Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc

Cường Điện tử tương tự Nhà xuất bản Giáo Dục Việt Nam 2011.

21