Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi dc ac chất lượng cao luận án tiến sĩ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và thể hiện trong đề tài là của riêng tôi, không sao chép các đề tài khác, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra. Thái nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS. Nguyễn Nhƣ Hiển vì sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của thầy trong suốt quá trình em thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Minh vì những chỉ bảo của thầy đối với những vấn đề kỹ thuật mà em gặp phải.

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa điện, trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, những Nhà giáo đã truyền dạy cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện và động viên tôi hoàn thành đề tài này. Do thời gian hoàn thành đề tài có hạn, nên khó tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong được sự động viên và đóng góp ý kiên của các thầy cô giáo.

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014 Người viết Phạm Đình Lịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng.3: Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa…….4: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu ……………………………….5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)……………………………….6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM ………………………………….7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang………10 Hình 1.7b: Điều chế đối xứng …………………………………………………….7c: Điều chế không đối xứng …………………………………………….8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc ……….9: Cấu tạo Ắc quy ….10: Sơ đồ chân chíp Atmega8………………………………………….12: Cấu trúc bộ nhớ AVR………………………………………………….14: Thanh ghi TCCR1A ……………………………………………….15: Thanh ghi TCCR1B .16: Thanh ghi OCR1A.17: Thanh ghi OCR1B .18: Thanh ghi TIMSK.19: Thanh ghi TIFR.20: Ví dụ về tín hiệu PWM……………………………………………….21: Các mốc giá trị của T/C1………………………………………………26 Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM……………………………………….23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B…………………………………….24: Fast PMW mode 14…….25: Cấu trúc thanh ghi SREG.30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ iv Hình 1.26: Cấu trúc thanh ghi ADMUX………………………………………….27: Cấu trúc thanh ghi ADCSRA………………………………….28: Cấu trúc thanh ghi ADCH…………………….29: Cấu trúc thanh ghi ADCL…….30: Cấu trúc thanh ghi ADCSRB.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK…………………………….2: Hình ảnh và sơ đồ chân LM7805+LM7812 ………………………….3: Mạch LM7805 tạo ra 5v…………………………………………….4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn……………………………………….5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại).6: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ.7: Mạch phản hồi điện áp.8: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ.9: Mạch bảo vệ quá tải.11: Hệ thống còi báo hiệu.14: Sơ đồ khối về tín hiệu vào, ra…………………………………….15: Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển………………………………….16: Lưu đồ thuật toán chương trình chính………………………………….Sơ đồ thuật toán khối bảo vệ quá dòng điện trên tải………………….18: Chương trình ngắt của Timer1…………………………………………49 Hình 2.19: Chương trình ngắt của Timer0…………………………………………49 Hình 2.20: Chương trình ngắt ADC……………………………………………….21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện…………………………………………51 Hình 2.22: IC Atmega8 và chân đế……………………………………………….23: IC khuếch đại thuật toán LM393N…………………………………….24: Hình ảnh Mosfet công suất IRF3205………………………………….25: Tranzitor 2SC2383 và 2SA1013…………………………………….52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.26: Đi ốt chỉnh lưu và đi ốt ổn áp………………………………………….27: Hình ảnh về tụ điện…………………………………………………….28: Hình ảnh về Jắc cắm trong mạch………………………………………53 Hình 2.29: Hình ảnh rơ le 5 chân………………………………………………….32a: Phía dưới của mạch điện…………………………………………….32b: Phía trên của mạch điện………………………………………………54 Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện………………………….34: Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………55 Hình 2.35: Tôn silic làm biến áp công suất……………………………………….36: Khung của biến áp…………………………………………………….37: Cuộn dây của biến áp công suất……………………………………….1: Đồng hồ vạn năng……………………………………………………….4: Kết nối mạch lưc…………….5: Điện áp ra trên tải là 220V………………………………………………60 Hình 3. Dạng sóng của dòng điện trên tải……………………………………….7: Dạng sóng của điện áp ra khi không tải……………………………….8: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là bóng đèn sợi đốt công suất 300W…….9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.10: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 bóng đèn tuýp…………………….11: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.12: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện………………………….13: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ, dạng sóng của hình 3.15: Chụp BBĐ từ trên xuống………………………………………………65 Hình 3.16: Chụp mặt trước của BBĐ………………………………………………65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ vi MỤC LỤC Trang Mở đầu:.………01 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BBĐ…. Khái niệm chung về BBĐ…………………………………………….Phân loại và công dụng ….Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối………………………………….Nguyên lý làm việc cơ bản của BBĐ………………………………………. Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ………………………….Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu……………………………….

Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu dòng một pha.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu 1 pha có điểm giữa……………….Nguyên lý nghịch lưu 1 pha dạng cầu………………………………….Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu………………………….Mạch công suất của bộ nghịch lưu dạng cầu H……………………………11 1.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC….Giới thiệu chung về Ắc quy………………………………….Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN:4472:93…………………………. Giới thiệu về Atmega8………………………………………….Tổng quan về Atmega8.Sơ đồ khối của Atmega8……………………………………….Cấu trúc bộ nhớ………………………………………………….Timer/Counter trong Atmega8 và cách sử dụng………………….Giới thiệu về Timer/Counter…………………………………….Sử dụng Timer/Counter………………………………………….Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)…………………………………….Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8……………………………………….Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số trong Atmega8……….Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA………………….32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Thanh ghi dữ liệu của bộ chuyển đổi ADC – ADCH và ADCL….Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRB………………….Các thanh ghi PORT xuất nhập………………………………………………35 1.Giới thiệu chung…………………….Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường….36 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB….Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ…………………….Thiết kế khối nguồn cho VĐK…………………………….Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)…………………………………….Mạch đo điện áp vào…………………………………………………………41 2.Mạch phản hồi điện áp……………………………………………………….Mạch bảo vệ quá nhiệt độ……………………………………………………42 2.Mạch bảo vệ quá tải………………………………………………………….Mạch hiển thị……………………………………………………….Lựa chọn biến áp…………………………………………………………….Sơ đồ nguyên lý và mạch in………………………………………………. Sơ đồ nguyên lý mạch điện………………………………………………45 2.Mạch in sau khi thiết kế………………………………….Sơ đồ khối tín hiệu vào ra…………………………………….Sơ đồ khối phần lập trình điều khển…………………………………………47 2.Lưu đồ giải thuật điều khiển…………………………………………………48 2.Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải…………….Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC…………………………………49 2.Chế tạo BBĐ…………………………………………………….Công tác chuẩn bị…………………………………………………………….Lắp ráp mạch điện……………………………………………………………50 2.Chế tạo biến áp BBĐ….Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………….55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Biến áp công suất………………………………………………………….55 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BBĐ………………………………….Thiết bị kiểm tra………………………………………………………………. Đồng hồ vạn năng………………………………………………………….Kết quả thực nghiệm.Hướng phát triển.66 Tài liệu tham khảo.67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 1 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.

Vì không có điện, mọi mặt của đời sống xã hội, bị đình trệ. Vậy thì điện năng của nước ta được sản xuất từ đâu? Phần lớn là từ các nguồn năng lượng truyền thống, như sức nước, nhiệt (than đá, khí đốt…) và khi nguồn năng lượng truyền thống này dần bị cạn kiệt, hoặc gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, thì chúng ta cần có nguồn năng lượng mới để thay thế; như sức gió, hạt nhân hoặc năng lượng tái tạo. 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 và có quy mô nhỏ, trong khi đó dự án điện hạt nhân phải đến 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 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(BBĐ). Tuy nhiên những thiết bị này lại có những ưu nhược điểm khác nhau. Với máy phát điện, có ưu điểm là đáp ứng được với tải có công suất vài KW đến hàng trăm KW, nhược điểm là giá thành khá cao, vận hành phức tạp, đặc biệt gây ra tiếng ồn. BBĐ lại có nhiều ưu điểm hơn là đáp ứng nhanh, tính cơ động và không gây tiếng ồn nhưng có công suất nhỏ.

Vậy là giải pháp khắc phục cho sự cố mất điện bằng BBĐ, với phụ tải có công suất đến vài KW là hoàn toàn có khả thi. Hàng ngày chúng ta gặp nhiều các BBĐ; Trong kỹ thuật có BBĐ 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. Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chủng loại, loại do công ty nước ngoài sản xuất, loại do công ty liên doanh sản xuất và loại do trong nước sản xuất; - Trên thế giới: Nhiều công ty đã nghiên cứu sản xuất, điển hình như Công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ 2 ty APC sản xuất các BBĐ, loại có điện áp ra dạng sóng vuông, loại có điện áp ra chất lượng cao thuần sin[7].

Tuy nhiên các sản phẩm được nhập khẩu đều có giá thành rất cao so với thu nhập của người dân Việt Nam. Một số công ty của Trung Quốc sản xuất ra bộ biến đổi có chất lượng điện áp ra khá tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là khả năng chịu quá tải thấp, độ bền còn hạn chế.