nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi dc-ac chất lượng cao

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


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
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

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


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


ii
LỜI CẢM ƠN


Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS. 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


iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC 4
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 5
Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa…… 6
Hình 1.4: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu ……………………………….7
Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin
(SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)……………………………… 8
Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM ………………………………… …9
Hình 1.7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang………10

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng …………………………………………………… 10
Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng …………………………………………… 11
Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc ……… 11
Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy …. …………………………………………………… 12
Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8………………………………………….… 16
Hình 1.11: Sơ đồ khối Atmega8……………………………………………… ….18
Hình 1.12: Cấu trúc bộ nhớ AVR………………………………………………….19
Hình 1.13: Timer/Counter1……………………………………………………… 22
Hình 1.14: Thanh ghi TCCR1A ……………………………………………… 23
Hình 1.15: Thanh ghi TCCR1B 23
Hình 1.16: Thanh ghi OCR1A 24
Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B 24
Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK 24
Hình 1.19: Thanh ghi TIFR 25
Hình 1.20: Ví dụ về tín hiệu PWM……………………………………………… 26
Hình 1.21: Các mốc giá trị của T/C1………………………………………………26
Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM……………………………………… 27
Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B…………………………………… 27
Hình 1.24: Fast PMW mode 14…… …………………………………………… 28
Hình 1.25: Cấu trúc thanh ghi SREG 30

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


iv
Hình 1.26: Cấu trúc thanh ghi ADMUX………………………………………… 31
Hình 1.27: Cấu trúc thanh ghi ADCSRA………………………………… …… 32
Hình 1.28: Cấu trúc thanh ghi ADCH…………………… ………………………34
Hình 1.29: Cấu trúc thanh ghi ADCL…… …………………………………… 34
Hình 1.30: Cấu trúc thanh ghi ADCSRB 34

Hình 2.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK…………………………… 38
Hình 2.2: Hình ảnh và sơ đồ chân LM7805+LM7812 ………………………… 39
Hình 2.3: Mạch LM7805 tạo ra 5v…………………………………………….… 39
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn……………………………………… ….39
Hình 2.5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại) 40
Hình 2.6: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ 41
Hình 2.7: Mạch phản hồi điện áp 41
Hình 2.8: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ 42
Hình 2.9: Mạch bảo vệ quá tải 43
Hình 2.10: Các đèn led 44
Hình 2.11: Hệ thống còi báo hiệu 44
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ………………………………………………….45
Hình 2.13: Mạch in ……………………………………………………………… 46
Hình 2.14: Sơ đồ khối về tín hiệu vào, ra…………………………………… … 46
Hình 2.15: Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển………………………………… 47
Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán chương trình chính………………………………….48
Hình 2.17.Sơ đồ thuật toán khối bảo vệ quá dòng điện trên tải………………… 49
Hình 2.18: Chương trình ngắt của Timer1…………………………………………49
Hình 2.19: Chương trình ngắt của Timer0…………………………………………49
Hình 2.20: Chương trình ngắt ADC……………………………………………… 50
Hình 2.21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện…………………………………………51
Hình 2.22: IC Atmega8 và chân đế……………………………………………… 51
Hình 2.23: IC khuếch đại thuật toán LM393N…………………………………….51
Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet công suất IRF3205………………………………… 52
Hình 2.25: Tranzitor 2SC2383 và 2SA1013…………………………………… 52

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


v

Hình 2.26: Đi ốt chỉnh lưu và đi ốt ổn áp………………………………………… 52
Hình 2.27: Hình ảnh về tụ điện…………………………………………………….52
Hình 2.28: Hình ảnh về Jắc cắm trong mạch………………………………………53
Hình 2.29: Hình ảnh rơ le 5 chân………………………………………………… 53
Hình 2.30: Điện trở……………………………………………………………… 53
Hình 2.31: Quạt làm mát………………………………………………………… 53
Hình 2.32a: Phía dưới của mạch điện…………………………………………… 54
Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện………………………………………………54
Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện………………………… 55
Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………55
Hình 2.35: Tôn silic làm biến áp công suất……………………………………… 55
Hình 2.36: Khung của biến áp…………………………………………………… 56
Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất……………………………………….56
Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng……………………………………………………….57
Hình 3.2: Đòng hồ đo R,L,C 58
Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59
Hình 3.4: Kết nối mạch lưc…………….……… 59
Hình 3.5: Điện áp ra trên tải là 220V………………………………………………60
Hình 3.6. Dạng sóng của dòng điện trên tải……………………………………… 60
Hình 3.7: Dạng sóng của điện áp ra khi không tải……………………………… 61
Hình 3.8: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là bóng đèn sợi đốt công suất 300W…… 61
Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.8……………………………… 62
Hình 3.10: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 bóng đèn tuýp…………………… 62
Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.10…………………………… 63
Hình 3.12: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện………………………… 63
Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.12…………………………… 64
Hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ, dạng sóng của hình 3.12…………………………64
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


vi
MỤC LỤC
Trang
Mở đầu: ………………………………………………………………….………01
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BBĐ… ………… …………………….……….04
1.1. Khái niệm chung về BBĐ…………………………………………… ……….04
1.1.1.Khái niệm…………………………………………………………… …… 04
1.1.2.Phân loại và công dụng ….…….…………………………………… …… 04
1.1.3.Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối………………………………….…….….04
1.1.4.Nguyên lý làm việc cơ bản của BBĐ……………………………………… 05
1.2. Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ………………………….….….05
1.2.1.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu……………………………….…….… 05
1.2.1.1. Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu dòng một pha ………………… …05
1.2.1.2.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu 1 pha có điểm giữa……………….…06
1.2.1.3.Nguyên lý nghịch lưu 1 pha dạng cầu………………………………….….07
1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu………………………….……07
1.2.1.5.Mạch công suất của bộ nghịch lưu dạng cầu H……………………………11
1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC….…………………….……………11
1.2.2.1.Giới thiệu chung về Ắc quy………………………………….…… …… 11
1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN:4472:93………………………….…………….12
1.3. Giới thiệu về Atmega8………………………………………….… ……… 15
1.3.1.Tổng quan về Atmega8 ……………………………… …….…………….15
1.3.2.Sơ đồ khối của Atmega8……………………………………….…………….18
1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ………………………………………………….………… 19
1.3.4.Timer/Counter trong Atmega8 và cách sử dụng………………….………….20
1.3.4.1.Giới thiệu về Timer/Counter…………………………………….…………20

1.3.4.2.Sử dụng Timer/Counter………………………………………….…………21
1.3.4.3.Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)…………………………………… ….27
1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8……………………………………… 29
1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số trong Atmega8……….……………….30
1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA………………… … 32

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


vii
1.3.6.2.Thanh ghi dữ liệu của bộ chuyển đổi ADC – ADCH và ADCL….……… 33
1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRB………………… … 34
1.3.7.Các thanh ghi PORT xuất nhập………………………………………………35
1.3.7.1.Giới thiệu chung…………………… …………………………………….35
1.3.7.2.Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường… ……………….36
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… …………………… 37
2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….………………37
2.1.1.Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ…………………… 37
2.1.2.Thiết kế khối nguồn cho VĐK…………………………….……………… 39
2.1.3.Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)…………………………………….40
2.1.4.Mạch đo điện áp vào…………………………………………………………41
2.1.5.Mạch phản hồi điện áp……………………………………………………….41
2.1.6.Mạch bảo vệ quá nhiệt độ……………………………………………………42
2.1.7.Mạch bảo vệ quá tải………………………………………………………….43
2.1.8.Mạch hiển thị……………………………………………………… …… 44
2.1.9.Lựa chọn biến áp…………………………………………………………… 45
2.1.10.Sơ đồ nguyên lý và mạch in……………………………………………… 45
2.1.10.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện………………………………………………45
2.1.10.2.Mạch in sau khi thiết kế………………………………… …………… 46
2.2.Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………46

2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra…………………………………… …………… 46
2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khển…………………………………………47
2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển…………………………………………………48
2.2.4.Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải…………… 49
2.2.5.Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC…………………………………49
2.3.Chế tạo BBĐ…………………………………………………… …………….50
2.3.1.Công tác chuẩn bị…………………………………………………………….50
2.3.2.Lắp ráp mạch điện……………………………………………………………50
2.3.3.Chế tạo biến áp BBĐ… ………………………………………………….…55
2.3.3.1.Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………… 55

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


viii
2.3.3.2.Biến áp công suất………………………………………………………… 55
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BBĐ………………………………… 57
3.1.Thiết bị kiểm tra……………………………………………………………… 57
3.1.1. Đồng hồ vạn năng………………………………………………………… 57
3.1.2.Đồng hồ đo R,L,C……………………………………………………………58
3.1.3.Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59
3.2.Kết quả thực nghiệm 59
3.3.Hướng phát triển 66
Tài liệu tham khảo 67

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


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


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.
- Sản xuất trong nước: Hiện trong nước có một số công ty đã sản xuất và bán sản
phẩm ra thị trường, tuy nhiên đa phần là nhập khẩu phụ kiện hoặc nhập khẩu dạng
module sau đó lắp ráp tại Việt Nam. Những loại sản phẩm này có giá thành khá cao,
đặc biệt là các linh kiện thay thế khi sửa chữa thì không thông dụng tại thị trường
Việt Nam. Ví dụ Hồ điện, Power…
Với nhu cầu cao của thị trường về bộ BBĐ để giải quyết tình huống mất điện
lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết
kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lƣợng cao” là hết sức cần thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có khá nhiều chủng loại BBĐ, đáp ứng
khá tốt các yêu cầu của các phụ tải. Tuy nhiên với kiến thức đã học em muốn vận
dụng để nghiên cứu, chế tạo ra BBĐ với các linh kiện sẵn có tại 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.
3. Ý nghĩa của đề tài
- Ứng dụng của BBĐ dùng trong điện sinh hoạt (không hòa lưới điện).
- Ứng dụng trong giảng dạy và học tập
5. Phƣơng pháp và phƣơng tiện nghiên cứu
- Sau khi lựa chọn và chính xác hóa đề tài với đề cương nghiên cứu đã soạn
thì bắt tay vào thu thập dữ kiện dùng làm những chất liệu hình thành công trình
nghiên cứu một cách khoa học.

- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo BBĐ và sử dụng các thiết bị đo như
máy hiện sóng để kiểm tra chất lượng điện áp ra, sau đó đưa ra các giải pháp hiệu
chỉnh đến khi đạt yêu cầu.
- Phương pháp khảo sát: Khảo sát một số bộ biến đổi có trên thị trường để

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


3
tìm hiểu về nguyên lý làm việc, vận dụng chế tạo mạch điện, lựa chọn linh kiện và
sử dụng thiết bị đo để khảo sát chất lượng điện áp ra.
- Phương pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức
cơ bản của bản thân để từ đó chọn phương án thực hiện đề tài.
- Thiết bị vật tư:
+ Thiết bị: Máy hiện sóng, đồng hồ vạn năng, đồng hồ đo L,C,R, Máy vi
tính, các phần mềm ứng dụng
+ Vật tư: Bàn quấn dây, mạch nạp và các vật tư khác.
6. Cấu trúc đề tài
Đề tài được trình bày trong 3 chương
- Mở đầu:
- Chương 1: Tổng quan về BBĐ
- Chương 2: Thiết kế và chế tạo BBĐ
- Chương 3: Khảo sát chất lượng BBĐ
- Kết luận.

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


4
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC
1.1.Khái niệm chung về BBĐ
1.1.1.Khái niệm.
BBĐ có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều
với tần số là tùy ý (còn gọi là bộ nghịch lưu).
1.1.2.Phân loại và công dụng.
a. Phân loại
- Phân loại theo điện áp: Loại 1 pha và 3pha
- Phân loại theo dạng sóng điện áp ra: Điện áp ra dạng sóng vuông và loại
sóng sin.
- Phân loại theo tình chất của BBĐ:
+ Trực tiếp hay gián tiếp.
+ BBĐ dòng điện hay điện áp
b. Công dụng
Được sử dụng trong quân sự, viễn thông, công nghiệp, phòng thí nghiệm và
trong dân dụng, nhằm đáp ứng ngay khi có sự cố mất điện lưới xảy ra.
1.1.3.Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối:
a. Sơ đồ khối:
Qua khảo sát một số BBĐ trên thị trường, có thể đưa ra sở đồ khối tổng quát
như sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC
b. Nhiệm vụ từng khối
Nguồn
DC
Nghịch
lưu
Nguồn
ra
Tổng hợp
và
Điều khiển

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


5
- Khối nguồn DC là nguồn một chiều (Pin, Ắc quy, Siêu tụ điện)
- Khối nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp
xoay chiều
- Khối Đầu ra: Là khối cung cấp trực tiếp hay gián tiếp thông qua chuyển
mạch, đưa điện áp xoay chiều đến phụ tải.
- Khối tổng hợp và điều khiển:
+ Tổng hợp tín hiệu như bảo vệ như: Bảo vệ dòng điện, điện áp, nhiệt độ
+ Điều khiển đóng, mở các van trong bộ nghịch lưu.
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 lƣu.
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 lƣu 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.
-
S2
S1
S4
S3
V
Tai
L
Vc
in


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


6
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng
S1, S4 đóng: i
0

>0; S
2
, S
3
đóng: i
0
<0
Vậy tải nhận được dòng AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải. Và
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 lƣu một pha có điểm giữa:
- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.3.
Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách
đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp
có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ. Tụ điện C có vai trò giúp các thyristor
chuyển mạch. Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp
một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại
nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn.
- Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa
cuộn dây sơ cấp. Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C. Mở thyristor tiếp theo sẽ
làm khoá thyristor trước, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song.
-
+
L1
L2 L3
C
U1
MCR12DCMT4
U2
MCR12DCMT4

TAI
Ld

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

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


7
- Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp
luôn cân bằng. Trong thực tế, điện áp một chiều trên hai đầu dây quấn chỉ có thể
được duy trì bằng từ thông biến thiên, do đó cần có dòng điện từ hoá ban đầu.
- Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn
các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp,
nghĩa là kích mở một thyristor gần thời điểm dẫn của thyristor khác, làm cho điện
áp tải có trị số cực đại.
- 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 lƣu áp 1 pha dạng cầu:
- Nguyên lý chung: Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ
nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc và 4 diod mắc đối song. (hình 1.4). Trong
dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong
mạch.
Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng
đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị.
+
+
-
-

S2
S1
S4
S3
D1
D2
D3
D4
C
V
Tai
Vo

Hình 1.4 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu
1.2.1.4.Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp

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


8
- Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp. Có thể kể đến như
phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo
mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp
điều rộng…Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có
dạng càng gần sin càng tốt. Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin
mô phỏng và true sin (thuần sin).
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. Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dễ dàng bằng cách

chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định. Do đó, giá thành rẻ. Tuy nhiên không phải
thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này.

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:
- Tín hiệu PWM tương tự[5], sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín
hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác. Tín hiệu
chuẩn phải có
dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín

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


9
hiệu sóng mang ở
dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần
số chuẩn.
Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở
trạng thái (mức hấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức
cao). Quy trình này được mô tả trong hình1.6.
-Trong đó, tín hiệu sóng mang là xung tam giác, tín hiệu chuẩn là tín hiệu sin

Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [4]
Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa
trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp
theo).

- Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều
khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử
dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng.
* 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[3]:
- Dựa trên nguyên lý so sánh hai tín hiệu sin và sóng mang như đã giới thiệu
ở phần trên, khác biệt ở đây là sử dụng các timer/counter trong VĐK để tao ra các
kênh PWM, điều khiển đóng, mở các khóa điện tử trong bộ cầu H.
- Trong thực tế ngày nay thường dùng VĐK hoặc PIC để tạo tín hiệu PWM
thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với
nhau.

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


10
- 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[4]
- 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 = f
c
/ f
0
(tần số lấy mẫu
bằng tần số sóng tam giác) như hình 1.7b.

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng[3] Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng[3]
- Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức sau:

()
2.2
1( ) ; 2( ) 1( ); ( ) ( );
22
s c a
s a m
c
T U u n
T n T n T T n u n U Sin
UN



   


(1.1)
- Trong đó: T
S
là chu kỳ lấy mẫu, u
n
(n) là áp chuẩn lấy mẫu kỳ thứ n,
U
C
, U
M
là biên độ sóng mang tam giác và áp chuẩn hình sin. Từ các
biểu thức trên có thể tính trước hàm sin(n.2π/N) chứa vào ROM và tính theo độ
rộng các T
S,

tỉ số U
M
/ U
C

- Khi điều chế không đối xứng số lần tính hàm sin tăng lên gấp đôi (như hình
1.7c).
- Để nâng cao biên độ tín hiệu PWM nhằm tránh nhiễu cho các khóa, người
ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác.

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


11
- Sử dụng VĐK có ưu điểm sau:
+ Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)
+ Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều
+ Giá thành không quá đắt
+ Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp
+ Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM
+ Ngoài ra, còn có thể sử dụng các cổng còn lại của VĐK để thực hiện các
chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…
Với những ưu điểm của VĐK như đã phân tích ở trên, nên chọn VĐK
Atmega8 (AVR) để ứng dụng trong đề tài này.
1.2.1.5. Mạch công suất của bộ nghịch lƣu (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.
Q1
IRF3205

Q2
IRF3205
Q4
IRF3205
Q3
IRF3205
R TAI
330
Vdc

Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc
- Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp
trên tải được mô tả trong bảng 1.1
- Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ, ví dụ ngắn mạch.
Bảng 1.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H
Q1
Q2
Q3
Q4
Áp trên tải
Dẫn
Tắt
Tắt
Dẫn
Dương

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


12

Tắt
Dẫn
Dẫn
Tắt
Âm
Dẫn
Dẫn
Tắt
Tắt
0V
Tắt
Tắt
Dẫn
Dẫn
0V
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.
- Đối với ắc quy, trên thị trường cũng có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên loại
ắc quy được đề cập đến trong đề tài là ắc quy axit.
- Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng
dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Dòng điện
trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung
dịch H2SO4.
- Bình ắc quy được làm từ nhiều tế bào ắc quy (cell), ta gọi đó là những ắc
quy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng.
- Mỗi ắc quy đơn có điện thế khoảng 2V. Ắc quy 12V có 6 ắc quy đơn mắc

nối tiếp.
- Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều ắc quy lại với nhau như
hình sau.

Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy
- Khi sử dụng hay nạp điện và bảo dưỡng cho ắc quy, cần tuân thủ nghiêm
ngặt theo quy định của nhà sản xuất.
- Những dấu hiệu cho thấy ắc quy đã đầy điện khi nạp.

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


13
+ Hiện tượng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dương
+ Tỷ trọng chất điện phân so với nước đạt 1.12 – 1.22 đối với ắc quy cố định
và 1.25 – 1.30 đối với ắc quy di động.
+ Hiệu điện thế đạt 2.7 – 2.8 và ổn định trong suốt 3h
+ Dung lượng nạp vào gấp 1.2 – 1.3 lần dung lượng định mức
1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93 [6]
- Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại ắc quy chì dùng cho mục đích khởi
động có điện áp danh định 6V và 12V
- Bình ắc quy phải đảm bảo gắn kín, không thoát hơi ở quanh chân đầu điện
cực và quanh nắp, áp suất chân không trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg)
- Khi đặt nghiêng bình ắc quy một góc 45
0
so với vị trí làm việc, điện dịch
không được chảy ra ngoài.
- Nhựa gắn kín nắp bình ắc quy phải đồng nhất, chịu được axit, không thấm
nước và chịu được sự thay đổi nhiệt độ từ (-30) đến 60
0

C.
- Khả năng khởi động ban đầu: (chỉ áp dụng cho ắc quy tích điện khô). Trong
vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, ắcquy phải đảm bảo được thông số theo bảng 1.3
Bảng 1.2: Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy
Ắc quy tích
điện khô
Dòng điện
phóng khởi
động I
p,
(A)
Thời gian tối
thiểu kết thúc
khởi động
(phút)
Điện áp đầu ra (V)
Sau 5-7s từ lúc bắt
đầu phóng
Điện áp cuối
Loại
bình 6v
Loại
bình 12v
Loại
bình 6v
Loại
bình 12v
Trong vòng
60 ngày kể
từ khi sản

xuất
3C
20
3
4
8
3
6
Chú thích: C
20
: dung lượng ở chế độ phóng nạp 20h
- Dung lượng danh định của ắc quy: Dung lượng được xác định theo chế độ
phóng điện 20 giờ với dòng điện liên tục không đổi I
p
= 0.05C
20
(A) và nhiệt độ
điện dịch được trước khi phóng không quá 32
0
C. Bình ắc quy phải ngừng phóng
điện khi điện áp ở hai đầu điện cực giảm đến 5.25V (đối với bình 6V) và 10.5V (đối
với bình 12V).

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


14
- Khả năng phóng điện khởi động của ắc quy
- Khả năng phóng điện khởi động được xác định bằng khả năng phóng điện ở
chu kì thứ 4 với dòng phóng I

p
= 3C
20
(A). Chỉ tiêu này để áp dụng cho ắcquy
không thuộc loại tích điện khô. Các thông số của ắc quy phải đạt như theo bảng 1.4
Bảng 1.3: Khả năng phóng điện của ắc quy
Thời gian tối
thiểu kết
thúc khởi
động tính
bằng (phút)
Dòng điện
phóng khởi
động I
p,
(A)
Điện áp đầu ra
Sau 5-7s từ lúc bắt đầu
phóng
Điện áp cuối
Loại bình
6V
Loại bình
12V
Loại bình
6V
Loại bình
12V
5.5
3C

20
4
8
3
6
- Khả năng nhận nạp điện: được xác định bằng dòng điện nạp. Bình ắc quy
mới chưa qua sử dụng sau khi nạp no, phóng điện 5 giờ với I
p
= 0.1C
20
(A), sau đó
nạp với điện áp 7.2V (đối với bình 6V) và 14.4V (đối với bì.nh 12V), trong 10 phút,
dòng điện nạp không nhỏ hơn 0.1C
20
(A).
- Khả năng chịu được nạp quá áp của ắc quy: Bình ắc quy phải chịu được
nạp quá bằng dòng điện liên tục không đổi I
n
= 0.1C
20
(A) trong 100 giờ với 4 chu
kỳ liên tục. Sau mỗi chu kì nạp 100 giờ để hở mạch 68 giờ và phóng kiểm tra bằng
dòng điện I
p
= 3C
20
(A) ở nhiệt độ 40±30C để đến điện áp cuối của ắc quy theo
bảng 2.2. Thời gian phải đạt trên 4 phút.
- Tổn thất dung lượng (tự phóng) của bình ắc quy: tổn thất dung lượng so với
dung lượng danh định sau 14 ngày đêm không giảm quá 14%.

- Tuổi thọ của ắc quy (tính theo chu kỳ phóng nạp điện): Tuổi thọ ắc quy
phải đạt thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này.
- Ghi nhãn: Tên mỗi bình ắc quy phải ghi rõ và bền:
+ Tên nhà máy sản xuất
+ Dấu hiệu hàng hóa sản xuất
+ Kí hiệu quy ước ắc quy; dung lượng danh định (Ah); điện áp (V)
+ Kí hiệu đầu cực: Cực dương “+” và âm “ - ”
+ Thời gian sản xuất

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


15
+ Kí hiệu tiêu chuẩn này (TCVN:4472:93)












1.3. Giới thiệu về Atmega8.
1.3.1.Tổng quan về Atmega8.
* Giới thiệu về vi điều khiển AVR
- AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều

khiển 8 bit với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa – RISC (Reduced Instruction Set
Computer). AVR có nhiều ưu điểm so với các chip vi điều khiển 8 bit khác, cả
trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:
- Gần như không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR.
- Mạch nạp đơn giản. Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip bằng
bootloader không cần mạch nạp.
- Bên cạnh lập trình bằng ngôn ngữ ASM (Assembly), cấu trúc AVR được
thiết kế tương thích với ngôn ngữ C.
- Hầu hết chip AVR có những tính năng (features) sau:
+ Có thể sử dụng xung clock lên đến 12MHz, hoặc sử dụng xung clock nội
lên đến 8MHz.
+ Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại nhiều lần và dung lượng lớn,
có SRAM lớn và có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM.
+ Nhiều ngõ vào ra (I/O Port) 2 hướng.
+ Timer/counter 8 bít, 16 bít; tích hợp PWM.