Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC AC chất lượng cao

-1-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





PHẠM THỊ MINH THƢ




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI
DC – AC CHẤT LƯỢNG CAO


CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 6052 0216


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA
HỌC

TS. Trần Xuân Minh


PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC



Thái Nguyên – 2014
-2-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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
-3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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:
Chƣơng 1: Tổng quan về bộ biến đổi điện áp DC - AC.
Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng.
Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm bộ biến đổi DC - AC.
Chƣơng 4: Xác định các đặc tính của thiết bị bằng thực nghiệm.
Kết luận và kiến nghị

-4-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-AC
1.1

, m các
được biến đổi thành ở


phải
các


.
1.2. Các bộ biến đổi điện năng
Các bộ năng
.
Các điện áp thông dụng hiện nay:
+ AC – AC.
+ AC – DC.
+ Bộ biến đổi DC – AC.
-5-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


+ – DC.
- – AC: B

).
- – DC )
).
- –
.
- –
).
trên,
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 hay bộ biến tần.
Các 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.
(xoay chiều - xoay chiều): Ở bộ biến đổi này,
năng lượng điện xoay chiều có tần số f
1
chỉ qua một khâu biến đổi trở thành
năng lượng điện xoay chiều tần số f
2
khác f
1
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.
(xoay chiều - một chiều - xoay chiều), là thiết
bị mà năng lượng điện xoay chiều của nguồn có có tần số f
1
trước tiên được biến
-6-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 f
2
khác f
1
qua khâu biến đổi thứ hai
thường là một sơ đồ nghịch lưu.
1.3. Bộ biến đổi DC – AC (nghịch lƣu)
1.3.1. Tổng quan về nghịch lƣu
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 ra có thể
, dùng để cung cấp cho tải xoay chiều.
Phân loại các bộ nghịch lƣu:
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:
- Nghịch lưu điện áp.
- Nghịch lưu dòng điện.
- Nghịch lưu cộng hưởng.

Phân loại theo số pha của điện áp hoặc dòng điện đầu ra:
- Nghịch lưu một pha.
- Nghịch lưu ba pha.
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.
-7-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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 1 pha
–
.
- AC trư
DC – AC
.
- : Nghịch lưu điện áp một pha có thể thực hiện bằng
nhiều sơ đồ khác nhau. Sau đây sẽ sử dụng sơ đồ nghịch lưu cầu một pha là sơ
đồ phổ biến nhất để xét nguyên tắc tạo ra điện áp xoay chiều một pha trên tải khi
nguồn cung cấp cho BBĐ là một chiều.
1.3 4 Thyristor
a. Sơ đồ mạch lực của bộ nghịch lưu (còn thiếu thiết bị chuyển mạch)

Nguyên tắc khống chế:
Để tạo ra điện áp xoay chiều trên tải Z
t
phải thực hiện khống chế các
thyristor chính của BBĐ làm việc theo quy luật như sau:
Hình 1.1: Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha dạng
cầu (thiếu thiết bị chuyển mạch)
_
+
T
3

T
1

D
33

D
11

C
0

u
t

i
t

B
A
U
d

Z
t

T
2

T
4

D
44

D
22

-8-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


- Trong các khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ dương của điện áp trên tải,
thực hiện khống chế mở hai van T

1
, T
2
và khoá hai van T
3
, T
4.
. Khi đó điện áp
trên tải (cũng là điện áp giữa 2 điểm A và B) sẽ là: u
t
= U
d
.
- Trong các khoảng thời gian cần có nửa chu kỳ âm của điện áp trên tải,
thực hiện khống chế mở hai van T
3
, T
4
và khoá hai van T
1
, T
2
. Khi đó điện áp
trên tải sẽ là: u
t
= –U
d
.
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)
-9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên








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: L
1
, L
4
, C
1
, C
4
là các phần tử chuyển mạch của 2 van
T
1

và T
4
; còn L
2
, L
3
, C
2
, C
3
là các phần tử chuyển mạch của 2 van T
2
và T
3
. Các
điện cảm chuyển mạch có giá trị nhỏ và bằng nhau, mặt khác từng cặp L
1
và L
4,
L
2
và L
3
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 C
1
, L
1

(khoá nhóm van anôt chung T
1
, T
3
) và C
2
, L
2
(khoá nhóm
van Ka tốt chung T
2,
T
4
). Ngoài ra, trong sơ đồ còn có thêm các đi ốt D
1
D
4

được gọi là các điốt cắt (ngăn cách).
-
T
3

T
1

D
33

D

11

C
0

u
t

i
t

*
*
*
*
+
-
C
1

+
-
L
1

L
4

U
d

Z
t

T
2

T
4

D
44

D
22

C
3

C
2

L
3

L
2

C
4

Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha dạng cầu
chuyển mạch phụ thuộc theo nhánh (theo pha)

+
-10-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4 Transistor


+
-
T
1

D
33

D
11

C
0

u
t

i
t

D
1

D
4

U
d

Z
t

T
4

D
44

D
22

D
3

D
2

L
2

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)


T
3

T
2

-
+
-
C
2

L
1

C
1

u
C1

u

C2

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

-11-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.
1.3 (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
-12-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.
-13-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên









a.
b.
-14-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



.
1.3.4.
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. Q
1
và Q
2
dẫn, Q
3
và Q
4

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 → W
11
→ Q
1
, Q
2
→ 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 Q
1
và Q
2
ngưng dẫn, Q
3
và

Q
4
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 → W
12
→ Q
3
, Q
4
→ GND
-15-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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
-16-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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. kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra

Hình 1.10: Sơ đồ ghép bộ lọc LC ở 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.

-17-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.11: Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông với bộ lọc LC
1.3.6. Nghịch lƣu 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 C
1
đến C
4
.
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
-18-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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:
98V - Q1A - L

1
– Tai – L
2
– Q1B – 0V.
- Với tín hiệu h2 thực hiện cho dòng điện chạy từ :
230V – Q3A – L
1
- Tai – L
2
– Q3B – 0V.
- Với tín hiệu h3 thực hiện cho dòng điện chạy từ :
310V – Q5A – L
1
- Tai – L
2
– Q5B – 0V.
- Với tín hiệu l1 thực hiện cho dòng điện chạy từ :
-19-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


98V – Q2A – L
1
- Tai – L
2
– Q2B – 0V.
- Với tín hiệu l2 thực hiện cho dòng điện chạy từ :
230V – Q4A – L
1
- Tai – L

2
– Q4B – 0V.
- Với tín hiệu l3 thực hiện cho dòng điện chạy từ :
310V – Q6A – L
1
- Tai – L
2
– Q6B – 0V.
Với càng nhiều cấp điện áp, các bậc thang càng bé lại, chất lượng dòng
điện càng được nâng cao hơn, hiệu suất cũng tăng lên. Đến khi đạt mức lý tưởng
với n cấp điện áp (n → ∞) thì dòng điện sẽ là hình sin. Nhưng rất khó để thực
hiện được điều đó. Vì càng tăng cấp điện áp thì tính phức tạp của mạch càng
cao, các tín hiệu điều khiển đòi hỏi tăng lên. Vì vậy các mức điện áp chỉ có thể
tăng đến một giá trị nhất định.
* Ƣu điểm:
- Do sóng ra sau khi đã qua bộ lọc đã tương đối giống sóng sin vì vậy đã có
khả năng chạy các tải cảm như quat, máy bơm, các động cơ nhỏ.
- Hiệu suất cao hơn so với hai loại trước.
* Nhƣợc điểm:
- Giá thành tương đối cao, mạch tương đối phức tạp đòi hỏi phải có kiến
thức chắc mới có thể tìm hiểu và thi công lắp đặt được.
Các dạng biến đổi DC – AC như đã nêu trên được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực của đời sống như: 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.
1.3.7. Các biện pháp nâng cao chất lƣợng 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

-20-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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.
CHƢƠNG 2: TH 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.
-21-

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2. phần mạch lực

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực

.
2.2.2. Phần mạch điều khiển
2.2.2.1. Khối nguồn
BR1.1
BRIDGE
VI
1
VO
3
GND
2
U1.1
7812
VI
1
VO
3
GND
2
U1.2
7805
12v 5v
C1.1

1000u
C1.2
220u
C1.3
220u
1
2
J1
CONN-H2

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Trong đó:
+ BR1.1: là bộ cầu đi ốt chỉnh lưu điện áp 13,5v
+ U1.1: Là IC ổn áp 12v LM7812
+ U1.2: Là IC ổn áp 5v LM7805
-22-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


+ C1.1 là tụ lọc sau chỉnh lưu 13,5v ; C1.2 tụ lọc sau ổn áp 12v, C1.3 tụ lọc
sau ổn áp 5v
+ 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
trong bộ cầu H.
Toi Q12.4
Tu U3.1 den
12V
Q12.2
2SA1013

Q12.1
2SC2383
Q12.3
2SC2383
R12.1
1k
R12.3
2k2
R12.4
4.7R
R12.2
2k2
Ug

Hình 2.3: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)
+ 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.
-23-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12V Chân 24 U3.1
R5.2
15k
R5.1
56k
C5.3
10u
U

Hình 2.4: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ
- Tác dụng linh kiện:
+ Điện trở R5.1 và R5.2 tạo thành cầu phân áp để cấp cho bộ biến đổi ADC
của IC U3.1
+ Tụ C5.3 là tụ lọc.
2.2.2.4. Mạch phản hồi điện áp
- Mạch này có nhiệm vụ lấy điện áp từ đầu ra, quay trở lại để so sánh nhằm
làm ổn định điện áp trên tải.
Chân 25 U3.113.5v
RV3.1
20K
R3.2
15k
R3.1
56k
C3.4
10u
Uph

Hình 2.5: Mạch phản hồi điện áp
- Tác dụng linh kiện :
-24-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


+ 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
50
0
C

thì 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
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
U3.1
ATMEGA8
Q6.1
2SC2383
D6.1
DIODE
+88.8
kRPM
QUAT
R6.1
1k
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
- Tác dụng linh kiện :

+ Điện trở R4.1 và R4.2 tạo thành cầu điện áp.
+ RT4.1 là cảm biến nhiệt độ.
- Nguyên lý của mạch là khi BBĐ làm việc ở nhiệt độ bình thường thì điện
trở trong của cảm biến thay đổi rất ít. Khi nhiệt độ tăng cao làm nội trở của cảm
biến thay đổi nhanh dẫn đến điện áp tại chân 23 của IC U3.1 thay đổi theo. Vi
điều khiển sẽ tác động để điều khiển quạt quay làm mát.
-25-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.2.2.6. Mạch bảo vệ quá tải
12v
12v
5v
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
U3.1
ATMEGA8
Q8.2
2SC2383
TR2.1
TRAN-2P2S
RL8.2
TEXTELL-KBH-12V
RV2.2
20K
RV2.1
100K
D8.2
1N4007
Q8.1
2SC2383
RL8.1
TEXTELL-KBH-12V
D8.1
1N4007
TAI
100
D2.1
DIODE
C2.1

10n
3
2
1
84
U2.1:A
LM393
5
6
7
8 4
U2.1:B
LM393
R2.1
330
R2.2
1k
R8.2
1k
R8.1
1k
L2.1L2.2
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.