Thiết kế phần nghịch lưu sử dụng STM8S003 cho bộ UPS 1KVA

Đồ án II
1


LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ BỘ NGUỒN UPS 3
1.1. Giới thiệu về UPS 3
1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS 4
1.1.2. Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm 4
1.1.3. Giải pháp dùng UPS 5
1.1.4. Ứng dụng của UPS trong thực tế 6
1.2. Phân loại UPS 7
1.2.1. UPS Offline 7
1.2.2. UPS Offline với công nghệ Line Interactive 8
1.2.3. UPS Online 8
1.2.4. UPS tĩnh 9
1.2.5. UPS quay 10
1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS 10
CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU 12
2.1 Các loại nghịch lưu 12
2.1.1 Nghịch lưu phụ thuộc 12
2.1.2 Nghịch lưu độc lập 12
2.1.3 Nghịch lưu độc lập điện áp 12
2.2 Tính chọn các phần tử của bộ nghịch lưu 14
2.2.1 Mạch điu khin 15
2.2.2 Mạch lái 16
2.2.3 Mạch động lực 18
2.2.4 Mạch nguồn 25
a. Nguồn cho vi điều khiển 25
b. Nguồn cấp cho cầu H 26
2.2.5 Mạch phản hồi 26

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 28
3.1. Trình biên dịch 28
3.2. Lập trình cho các khối cơ bản 28
3.2.1 Khối ADC – Analog Digital Converster. 28
3.2.2 Khối PWM – Pulse Width Modulation 29
3.2.3 Thuật toán PID 30
Source Code: 32
Đồ án II
2


LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện
tử, đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sự thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong
các thiết bị, hệ thống thiết bị điện – điện tử, chẳng hạn như: máy tính, thiết bị điều
khiển khả trình, tổng đài điện thoại, truyền dữ liệu, chiếu sáng đường hầm, những
hệ thống giám sát điều khiển và xử lý công nghiệp. Nhằm đảm bảo tính liên tục
và chất lượng cung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng
thái hệ thống cung cấp, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm
việc tin cậy, đặc biệt là những bộ nguồn làm việc như một “giao diện công suất”
giữa nguồn cung cấp và tải.
Sau quá trình tìm hiểu về bộ UPS em đã hoàn thành đò án 2 với yêu cầu đề
tài như sau: “Thiết kế bộ lưu điện UPS cho máy vi tính để bàn, công suất 1000VA,
điện áp ra 220VAC, sử dụng acquy 12V”.
Tuy nhiên do thời gian có hạn cũng như còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức,
kinh nghiệm của bản thân nên mặc dù đề tài đã hoàn thành nhưng không tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những đánh giá, góp ý của thầy
giáo để có thể tìm hiểu và bổ sung cho hoàn chỉnh.
Em xin chân thành cảm ơn!

Đồ án II
3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ BỘ NGUỒN UPS

1.1. Giới thiệu về UPS


Hình 1: Hỉnh ảnh của bộ UPS.
UPS được viết tắt của mụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier
– được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản là bộ lưu trữ
điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống. Nó cung cấp
tạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp
sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác, ) trong một khoảng thời
gian với công suất giới hạn theo khả năng của nó.
Ở Việt Nam, UPS thường quen được gọi với cái tên “Bộ lưu điện”. Như
chúng ta đã biết, một nguồn điện tốt sẽ đảm bảo khả năng làm việc tin cậy, kéo
dài thời gian sử dụng thiết bị dùng điện cũng như mang lại hiệu quả kinh tế cho

doanh nghiệp. Hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, việc đầu
tư cho hệ thống lưới điện đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng thiếu hụt
điện năng và chất lượng điện năng suy giảm.
Từ yêu cầu của các thiết bị về muwacs độ nguồn điện liên tục và chất lượng,
UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:
 UPS Offline đơn thuần.
 UPS Offline công nghệ Line-interactive.
 UPS Online.
 UPS tĩnh.
 UPS quay.


Đồ án II
4

1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ nguồn liên tục UPS

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của UPS
UPS là một nguồn có đầu vào nối với lưới điện, đầu ra nối với các thiết bị
cần được bảo vệ, bên trong có acquy. Bình thường tải cung cấp năng lượng từ
nguồn. Khi mất điện bất thường thì năng lượng nung cấp cho tải lúc này được lấy
trực tiếp từ acquy đảm bảo cho thiết bị được cung cấp năng lượng một cách liên
tục.

1.1.2. Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố nguồn năng lượng điện: Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có
thể xảy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết bị hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải,
nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, ). Những sự cố này có thể gây ra những hậu
quả khác nhau.
Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áp

hình sin với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V –
50Hz chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh
hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.
Đối với hệ thống cung cấp điện, có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp
điện vì:
 Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi). Điều
này có thẻ ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn:
 Sấm sét làm điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện
 Sương giá có thể làm cho đương dây bị đứt
 Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:
 Cành cây rơi gây ngắn mạch hoặc đứt dây.
 Đứt cáp do đào đất.
 Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp.
Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp
 Lắp đặt công nghiệp, chẳng hạn:
 Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.
 Những thiết bị gây ô nhiễm: Lò luyện kim, máy hàn, gây ra điện
áp rơi và nhiễm RF.
Đồ án II
5

 Những hệ thống điện tử công suất cao.
 Thang máy, đèn huỳnh quang.
Những sự cố ảnh hưởng tới việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có
thể phân thành các loại sau:
 Lệch điện áp.
 Ngừng hoạt động.
 Tăng đột ngột điện áp.
 Thay đổi tần số.

 Xuất hiện sóng hài.
 Nhiễu tần số cao
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn
việc cung cấp điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính.

1.1.3. Giải pháp dùng UPS
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương
diện:
 An toàn cho con người.
 An toàn cho thiết bị, nhà xưởng.
 Mục tiêu vận hành kinh tế.
Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau
cho vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn
sau để đánh giá:
 Liên tục cung cấp điện.
 Chất lượng cung cấp điện.
Về tính liên tục cung cấp điện: Cách duy nhất là cung cấp nguồn dự trữ.
Một vài giải pháp kỹ thuật đảm bảo tính liên tục cung cấp điện:
 Trong quá trình lắp đặt sử dụng một vài nguồn khác nhau tốt hơn là chỉ
dùng một nguồn.
 Chia nhỏ mạch tải ra mạch ưu tiên và không ưu tiên, khi cần sẽ loại bỏ
những tải không cần thiết.
 Lựa chọn điểm nối trung tính.
 Lựa chọn phương pháp kết nối.
 Lựa chọn thiết bị bảo vệ theo cấp.
Những giải pháp này có thể bổ sung cho nhau và hạn chế sự cố phát sinh
trong quá trình lắp đặt. Tuy nhiên, phương cách duy nhất đảm bảo tính liên tục
cung cấp điện là sử dụng nguồn dự trữ, tối thiểu là để cung cấp cho các tải ưu tiên.
Nguồn này sẽ đảm bảo cung cấp điện sau một thời gian dự trữ chuyển đổi, nó phụ
thuộc vào nguồn nuôi và thời gian dự trữ cực đại. Cần chú ý thời gian chuyển đổi

dường như bị gián đoạn, điều này là không chấp nhận được, vì vậy việc loại bỏ
Đồ án II
6

thời gian này bằng những thiết bị chuyển mạch tĩnh sử dụng khả năng đóng ngắt
cực nhanh của các thiết bị điện tử công suất.
Về chất lượng cung cấp điện: Phương pháp được đề cập ở trên đảm bảo
tính liên tục cung cấp điện cho phù hợp với phụ tải, hạn chế những hậu quả của
sự cố, sự mất ổn định trong quá trình lắp đặt, đặc biệt cho những tải ưu tiên được
cung cấp điện liên tục nếu xảy ra sự cố ở nguồn chính.

1.1.4. Ứng dụng của UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông,
ngân hàng, y tế, hàng không là rất lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3
số lượng mý tính đang được sử dụng. Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử
dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một
trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất điện. UPS được
sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng
sân bay.

Ứng dụng chính
Thiết bị được bảo vệ
1. Hệ thống máy
tính nói chung
- Máy tính, mạng máy tính.
- Máy in, hệ thống vẽ đồ thị, bàn phím và các thiết bị
đầu cuối.
2. Hệ thống máy
tính công
nghiệp

- Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều khiển số, điều
khiển giám sát, máy tự động.
3. Viễn thông
- Tổng đài điện thoại, hệ thống truyền dữ liệu, hệ thống
radar.
4. Y tế, công
nghiệp
- Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị điều khiển chính xác,
thiết bị đo nhiệt độ, bơm plastic
5. Chiếu sáng
- Đường hầm, đường băng sân bay, nhà công cộng
6. Các ứng dụng
khác
- Máy quét hình, cung cấp năng lượng cho máy bay

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng, nó có mặt ở mọi chỗ, mọi
nơi, đặc biệt là những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.





Đồ án II
7

1.2. Phân loại UPS
Do yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng,
UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:
 UPS Offline đơn thuần.
 UPS Offline công nghệ Line-interactive.

 UPS Online.
 UPS tĩnh.
 UPS quay.
Trong đó loại phổ thông nhất là UPS Offline, UPS Offline công nghệ Line-
interactive và UPS Online còn lại UPS tĩnh, UPS quay thì ít được sử dụng.

1.2.1. UPS Offline
Sơ đồ thể hiện hai trạng thái làm việc của một UPS Offline thông thường:
- Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của lưới
điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một cách tự
động cho acquy mà thôi.
- Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì lúc
này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ acquy và bộ inverter.

Hình 3: Sơ đồ UPS Offline

Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấp
điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc
cung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ:
Cũng qua sơ đồ, ta thấy rằng UPS Offline không có công dụng ổn áp khi
chúng sử dụng điện lưới bình thường – bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới
điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông
qua rơ le (phần bypass trong sơ đồ trên). Có vẻ như nhiều người cho rằng UPS
Đồ án II
8

luôn tích hợp sẵn công dụng ổn áp, nhưng không phải loại UPS Offline này – mà
là loại UPS Online.

1.2.2. UPS Offline với công nghệ Line Interactive

Về cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động của UPS công nghệ Line
Interactive gần giống với UPS Offline thông thường. Nhưng nó chỉ khác một đặc
điểm nhỏ: UPS Offline công nghệ Line Interactive có gắn thêm bộ ổn áp giúp cho
điện áp đầu ra luôn ổn định. Khi dòng điện có sự cố về điện áp, UPS sẽ tự động
điều chỉnh để điện áp đầu ra luôn ở dạng chuẩn.

Hình 4: UPS Offline công nghệ Line Interactive

Tuy nhiên nhược điểm của loại UPS Offline công nghệ Line Interactive này
là thời gian chuyển mạch vẫn còn lớn (2 – 10ms) nên sẽ không đáp ứng được cho
các thiết bị nhạy cảm về điện.

1.2.3. UPS Online
Khắc phục hoàn toàn những nhược điểm của dòng UPS Offline, dòng UPS
Online với công nghệ Online Double Conversion giúp loại bỏ những sự cố của
điện lưới do điện áp đầu vào luôn được điều chế trước khi cấp cho tải sử dụng.
Nguồn điện lưới không cung cấp trực tiếp cho thiết bị mà được biến đổi thành
dòng một chiều nhận được thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Như
vậy có thể thấy rằng khi lưới điện xảy ra bất kỳ sự cố nào thì thiết bị của bạn vẫn
luôn được an toàn.
Đồ án II
9


Hình 5: UPS Online

Dòng UPS Online thường được thiết kế với công suất lớn, có thể mở rộng
thời gian lưu điện bằng các acquy lưu điện gắn trong lẫn ngoài nên ngoài những
thiết bị có tính chất tải thuần trở như thiết bị văn phòng, máy tính thì UPS Online
còn có thể sử dụng cho hệ thoongsm áy chủ, trung tâm dữ liệu (data center) và

thậm chí cả những thiết bị tải động cơ như quạt, máy bơm, v v.

1.2.4. UPS tĩnh

Hình 6: UPS tĩnh

Sử dụng bộ chuyển đổi tĩnh để cung cấp năng lượng.
- Giới hạn dòng trong vận hành cho phép I
cp
= 2,33I
dm
.
- Cách li về điện.
- Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy chắc chắn.
- Khả nằng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cung
cấp, sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lý dựa trên kỹ thuật số.
- Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số ±0,5% ~ ±1%, thời gian điều
chỉnh nhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ.




Đồ án II
10

1.2.5. UPS quay

Hình 7: UPS quay

- Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lượng:

I
nm
= I
dm

- Hệ thống phụ tải cách li với nguồn.
- Trở kháng ra của hệ thấp.

1.3. Sơ đồ nguyên lý chung của một UPS

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý chung của UPS

Chức năng của các khối:
- Biến áp vào:
 Hạ điện áp lưới xuống điện áp thích hợp để đưa vào bộ chỉnh lưu.
 Cách ly giữa hệ thống và lưới, chống ngắn mạch nguồn.
- Chỉnh lưu: tạo ra điện áp một chiều dùng cho việc nạp acquy và đưa tới bộ
nghịch lưu.
- Lọc chỉnh lưu: San phẳng điện áp ra từ bộ chỉnh lưu để đưa đến bộ nghịch lưu
nhằm nâng cao chất lượng điện áp ra ở đầu ra nghịch lưu.
- Nghịch lưu: biến điện áp một chiều lấy từ đầu ra của chỉnh lưu thành điện áp
xoay chiều tần số f cấp cho tải.
- Biến áp ra: tăng điện áp ra từ bộ nghịch lưu lên phù hợp theo yêu cầu của tải.
Đồ án II
11

- Mạch nạp acquy: dùng để điều khiển việc nạp acquy. Khi có điện, acquy là nơi
tích trữ năng lượng. Khi đó dưới sự điều khiển của mạch điều khiển nạp thì
acquy được nạp. Khi điện áp trên acquy tăng đến một mức nào đó thì mạch
điều khiển sẽ cắt việc nạp acquy.

- Acquy: là nơi tích trữ năng lượng khi có điện áp nguồn và là kho cung cấp
năng lượng cho các phụ tải khi lưới điện bị mất. Thời gian duy trì điện của
UPS phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng của acquy. Trên thi trường acquy
dùng cho UPS phổ biến nhất là loại 12V/7Ah và 6V/7Ah. Khi thiết kế tùy theo
điện áp mà ta có thể mắc nối tiếp các acquy để được nguồn 24 – 48V. Việc sử
dụng nguồn cấp có điện áp cao sẽ giảm được dòng tiêu thụ và tăng hiệu suất
của ngồn UPS song nó sẽ làm tăng kích thước của nguồn.
- Điều khiển chỉnh lưu: Điều khiển góc mở của các thyristor trong mạch chỉnh
lưu sao cho điện áp ra sau chỉnh lưu ổn định theo yêu cầu.
- Điều khiển nghịch lưu: Điều khiển thời gian dẫn của các van hợp lý sao cho
điện áp cung cấp cho tải là không đổi hoặc thay đổi rất nhỏ. Mạch điều khiển
này đóng vai trò quan trọng như một bộ ổn áp hoạt động song song với bộ
nghịch lưu.
- Nguồn: dùng để cung cấp các mức điện áp khác nhau cho 2 bộ điều khiển chỉnh
lưu và nghịch lưu.

Đồ án II
12

CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU

2.1 Các loại nghịch lưu
Nghịch lưu là thiết bị để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành
năng lượng dòng xoay chiều với tần số cố định hoặc thay đổi.
2.1.1 Nghịch lưu phụ thuộc
Nghịch lưu phụ thuộc có tần số điện áp của dòng điện xoay chiều chính là
tần số không thể thay đổi của lưới điện. Sự hoạt động của nghịch lưu này phải phụ
thuộc vào điện áp lưới vì tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α được
xác định theo tần số và pha của lưới xoay chiều.
2.1.2 Nghịch lưu độc lập
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định
và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện. Nghịch lưu độc lập được chia
làm 3 loại:
 Nghịch lưu độc lập điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành
nguồn điện áp xoay chiều có tính chất như điện áp lưới: trạng thái không tải
là cho phép còn trạng thái ngắn mạch tải là sự cố. Van bán dẫn trong nghịch
lưu độc lập điện áp hoạt động dưới tác động của sức điện động một chiều E,
vì vậy thích hợp là van điều khiển hoàn toàn: các loại transistor BJT,
MOSFET, IGBT hay GTO.
 Nghịch lưu độc lập dòng điện: cho phép biến nguồn dòng một chiều thành

xoay chiều.
 Nghịch lưu độc lập cộng hưởng: có đặc điểm khi hoạt động luôn hình thành
một mạch vòng dao động cộng hưởng RLC. Với nghịch lưu độc lập dòng
điện và nghịch lưu độc lập cộng hưởng, do tính chất mạch cho phép ứng
dụng tốt van bán điều khiển thyristor nên chúng thường được dùng.
Trong phạm vi đồ án ta chỉ xét nghịch lưu độc lập điện áp.
2.1.3 Nghịch lưu độc lập điện áp
a. Đặc điểm cấu tạo
Do nguồn đầu vào của mạch nghịch lưu là nguồn áp nên mạch nghịch lưu áp
có tụ C (C ) được mắc song song với điện trở nguồn.
Trong hình 1.1 là một số sơ đồ nghịch lưu áp một pha trong đó sơ đồ cầu
hình 1.1a, bán cầu hình 1.1b và sơ đồ hình tia 1.1c tuy nhiên dạng điện áp ra và
các tham số của chúng giống như nhau, vì vậy chúng ta chỉ xét trên cơ sở sơ đồ
cầu hình 1.1a.
Đồ án II
13

Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hình 1.1a gồm 4 van động lực
T1, T2, T3, T4 và điôt D1, D2, D3, D4 để trả công suất phản kháng của tải về lưới.

1.1a 1.1b 1.1c
Hình 9: Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp một pha
b. Nguyên lý làm việc
Ở nửa chu kỳ đầu tiên, cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu với nguồn.
Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải bằng E, sau một khoản thời gian T1,
T2 bị khóa đồng thời T3, T4 mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn một chiều theo
chiều ngược lại. Sau một khoảng thời gian t quá trình được lập lại. Điện áp nghịch
lưu có dạng xung vuông, có tần số f
N
tạo ra nhờ đóng mở các cặp van T1, T2 và

T3, T4 một cách có chu kỳ: f
N
=f
đk

Do đó khi thay đổi tần số điều khiển f
đk
có thể thay đổi tần số nghịch lưu f
N

tuỳ ý.

Hình 10: Sơ đồ nghịch lưu áp một pha
Đồ án II
14

c. Ưu nhược điểm
 Ưu điểm:
o Điều chỉnh được tần số f
N

o Điện áp ra nghịch lưu có thể dùng các phương pháp khác nhau giảm sóng
hài bậc cao.
o Các van được sử dụng là các van điều khiển hoàn toàn do đó dễ dàng điều
khiển đóng cắt các van.
o Công suất bộ biến đổi phụ thuộc vào công suất của van, mà công suất của
van động lực ngày càng lớn với kích thước ngày càng nhỏ gọn.
 Nhược điểm:
o Số lượng van sử dụng khá nhiều.
o Điện áp ra có sóng hài bậc cao ảnh hưởng tới thiết bị điện

Hình 11: Các sóng hài bậc cao
2.2 Tính chọn các phần tử của bộ nghịch lưu
Các thông số mà đề tài đặt ra như sau:
 Công suất định mức 1kW.
 Điện áp đầu vào 300VDC.
 Điện áp đầu ra 220VAC.
 Dòng điện đầu ra có dạng sóng modified sin.
 Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống
cung cấp: điện áp đầu ra và dạng sóng dòng điện nhanh chóng trở lại trạng
thái ổn định khi thay đổi điện áp đầu vào hoặc thay đổi tải.
Đồ án II
15

2.2.1 Mạch điu khin

Hình 12: Sơ đồ mạch điều khiển
Trong đề tài này, em sử dụng chip STM8S003F3 trong họ STM8 Family
của hãng ST Microelectronic.
Dòng STM8 có 3 loại chính:
 STM8S (Standard) – loại thường dùng và phổ biến nhất.
 STM8L (Ultra Low Power) – loại tiết kiệm năng lượng nhất.
 STM8Ax (Automotive) – thường dùng cho các thiết bị giải trí, điều khiển
của xe hơi, tàu thủy, máy bay,
STM8S là dòng vi điều khiển 8 bits của hãng ST Microelectronic. Tương
tự như các dòng vđk 8 bits khác như AVR, PIC, 8051, … STM8S có các ngoại
vi cơ bản như GPIO, ADC 10 bits, 3 bộ TIMER, UART, SPI, I2C, PWM … bên
cạnh đó nó còn hỗ trợ các ngoại vi phức tạp như USB, CAN, IrDA, LIN. Bộ nhớ
nội 128 bytes EEPROM 8Kbytes Flash. Rất dễ xây dựng và phát triển các
ứng dụng nhỏ hay driver (ứng dụng chuyên biệt để thực hiện một chuyện gì

đó như điều khiển động cơ, giao tiếp với LCD, …). Mức điện áp hoạt động cho
cả 3v3 và 5v. Được hỗ trợ thư viện xây dựng sẵn của ST. Code trực quan, sinh
động bằng ngôn ngữ C. Nạp chương trình vô cùng đơn giản bằng giao thức 1 dây
(SWIM) cực nhanh.

Đồ án II
16

Thông số cụ thể của chip STM8S003F3:

1. Tốc độ tối đa
16MHz
2. Chuẩn gia tiếp
I²C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART
3. Ngoại vi
GPIO, ADC, PWM,
4. Số cổng I/O
16
5. Kích thước bộ nhớ
8Kb
6. Loại bộ nhớ
FLASH
7. Kích thước EEPROM
128x8
8. Kích thước RAM
1k x 8
9. Điện áp nguồn nuôi
2,95V ~5,5V
10. Chuyển đổi dữ liệu
A/D 5x10b

11. Loại dao động
Cả dao động nội RC và dao động ngoại
từ thạch anh
12. Nhiệt độ hoạt động
-45
0
C đến 85
0
C
13. Kiểu chân
20 SSOP

2.2.2 Mạch lái
IR2103 là IC chuyên dụng được thiết kế để điều khiển nửa cầu MOSFET
hoặc IGBT kênh N. Đặc điểm của IR2103:
 Sử dụng kĩ thuật “bootstrap”.
 Có thể điều khiển mạch lực lên tới 600V.
 Nguồn cấp từ 10V đến 20V.
 Bảo vệ thiếu áp.
 Tương thích 3,3V; 5V; 15V logic.
 Kết hợp “deadtime” trong IC.

Hình 13: Sơ đồ khối bên trong IR2103
Đồ án II
17



Hình14: Chức năng các chân của IR2103

Chức năng của các chân IR2103:
Chân 1: VCC – nguồn cho phía mức thấp, kéo lên mức logic cho chân phía mức
thấp.
Chân 2: HIN – xung điều khiển mức logic cho đầu ra mức cao (HO)
Chân 3: – xung điều khiển mức logic cho đầu ra mức thấp (LO)
Chân 4: COM – mức 0 (đất) cho đầu ra mức thấp
Chân 5: LO – Đầu ra mức thấp (Low side ouput) ngược pha với xung điều khiển
ở chân .
Chân 6: Vs – Nguồn tạo mức logic 0 cho đầu ra mức cao.
Chân 7: HO – Đầu ra mức cao, cùng pha với xung điều khiển ở chân HIN.
Chân 8: V
B
– Nguồn kéo lên mức logic 1 cho đầu ra mức cao.
Với các chức năng như trên, IC IR2103 có thể nhận cùng 1 xung điều khiển
ở các chân HIN (chân số 2) và chân (chân số 3) để cho ra 2 xung lái van
MOSFET ngược pha nhau ở các đầu ra HO (chân số 7) và LO (chân số 5). Tuy
nhiên, trong trường hợp này, giá trị “deadtime” không thể thay đổi được mà phụ
thuộc vào IC. Để thay đổi được “deadtime”, ta phải sử dụng 2 xung điều khiển
khác nhau, có độ rộng xung có thể thay đổi được nhờ vi điều khiển.




Đồ án II
18


Hình 15: Các kiểu đóng gói chân của IR2103

Hình 16: Sơ đồ mạch lái dùng IR2103

2.2.3 Mạch động lực
a. Các sơ đồ mạch động lực
 Mạch half-bridge:

Hình 17: Mạch half-bridge
Đồ án II
19



Nối tải vào điểm giữa hai nguồn, khi đó điểm giữa C đóng vai trò là trung tính .
Theo hình vẽ trên : khi ta cấp tín hiệu điều biến sóng Sin để kích mở khóa K1 và
K2 thì điện áp đặt trên điện trở sẽ có dạng hình Sin.Và biên độ điện áp sóng Sin
này là


.
Mạch full-bridge:

Hình 18: Mạch full-bridge
Dựa vào mạch Half-Bridge ta thấy rằng mạch Full-Bridge là sự kết hợp của
hai nửa cầu và điện áp ra trên tải là hiệu của hai điện áp tại điểm A và B. (u
AB
=
u
A
– u
B

)

Hình 19: Nguyên lý làm việc của mạch Full Bridge
Đồ án II
20



Hình 20: Dạng sóng của điện áp modified sine

Để tạo ra được sóng modified sine như yêu cầu của đề tài, nguyên lý làm
việc của mạch cầu H (Full Bridge) như sau:
Vì điện áp ra tải là hiệu của điện áp giữa 2 điểm A và B (HO1 và HO2)
U
AB
= U
A
– U
B

Nên khi áp ở A lớn hơn áp ở B, ta sẽ được nửa dương của sóng modified
sine. Còn khi áp ở B lớn hơn áp ở A, ta sẽ được nửa âm của sóng modified sine.
Để có điện áp ở A lớn hơn ở B, dòng sẽ chảy từ +BAT qua Q1, qua tải, đến Q3
về đất. Khi ấy, Q1 và Q3 sẽ được cấp xung mở van (xung ở mức 1), còn Q2 và
Q4 đóng (xung ở mức 0). Và ngược lại, để có áp ở B lớn hơn ở A, dòng sẽ chảy
qua Q2 và Q4. Khi ấy, Q2 và Q4 mở còn Q1 và Q3 đóng.
Để tạo ra được các khoảng điện áp tải ở mức 0, ta phải có Q1 và Q2 (hoặc
Q3 và Q4) mở đồng thời. Khi ấy, áp ở A và B bằng nhau nên ta có được U
AB
= 0.

Các xung H1; H2; L1; L2 lần lượt được mô tả trong hình sau:


Đồ án II
21


Hình21: Giản đồ xung đóng cắt van MOSFET


b. Các loại van bán dn
Trong mạch nghịch lưu sử dụng nguyên lý PWM, tần số chuyển mạch cao
gấp nhiều lần tần số cơ bản. Chính vì vậy ta phải chọn các linh kiện bán dẫn làm
khóa chuyển mạch có tốc độ chuyển mạch khá lớn. Các loại linh kiện bán dẫn có
thể đáp ứng được yêu cầu ở tần số này là:
 BJT - Bipolar Junction Transistor
 MOSFET - Metal Oxide Semicoducter Field Effect Transistor
 IGBT là sự kết hợp của BJT và MOSFET

Hình 22: BJT, MOSFET và IGBT
Để tiến hành lựa chọn được van bán dẫn thích hợp, ta tiến hành phân tích ưu
nhược điểm các van bán dẫn trên.
 Những vấn đề cơ bản về BJT:
Có thể nói rằng BJT là một phần tử đóng cắt cổ điển nhất và được sử dụng
đầu tiên để cho mục đích đóng cắt sau nhiệm vụ khuyếch đại.
Đồ án II
22

Dải công suất của BJT:
Ngày nay các BJT có thể có công suất khá lớn, các van BJT có thể có điện

áp chịu đựng hàng chục kV và có dòng cho phép cỡ vài kA. Tần số chuyển mạch
của BJT cho phép khá lớn, tần số cho phép vào khoảng 10kHz. Tần số này càng
giảm khi công suất van tăng. Độ tuyến tính xung điện áp ra của BJT khá lớn,
nguyên nhân chính do tụ kí sinh trên van nhỏ nên cho phép van chuyển mạch
nhanh.
Nhược điểm chủ yếu của BJT là công suất mạch điều khiển. Các BJT công
suất lớn thường có hệ số khuyếch đại nhỏ, cỡ trên dưới 10 lần. Điều này đồng
nghĩa với công suất mạch điều khiển bằng 1/10 công suất mạch động lực nếu ta
sử dụng khuyếch đại trực tiếp. Công suất mạch điều khiển có thể giảm được nếu
ta sử dụng mạch Darlington cho tầng khuyếch đại cuối cùng, tuy vậy sẽ gây ra
một vấn đề đó là trễ điều khiển khi chuyển mạch tần số lớn.
Tổn hao và làm mát BJT:
Như đã phân tích, tổn hao trong BJT khá lớn do nó được điều khiển bằng
dòng-áp. Do tổn hao khá lớn nên các mạch dùng BJT thường có công suất nhỏ,
cỡ vài trăm oát. Việc sử dụng ở tần số cao hơn có thể làm được xong không kinh
tế trong điều khiển và làm mát van.

 Những vấn đề cơ bản về MOSFET
Dải công suất của MOSFET:
Công nghệ MOSFET ra đời đã cải tiến được những nhược điểm trong điều
khiển BJT. Điểu khiển đóng mở MOSFET là điều khiển bằng điện áp đặt lên hai
cực, cực cổng (G - Gate) và cực nguồn (S - Source). Việc điều khiển bằng điện áp
đã làm giảm được kích thước vàt ổn hao trong mạch điều khiển và dẫn tới khả
năng tích hợp thành vi mạch.
Do sử dụng hiệu ứng trường nên MOSFET cho phép tần số chuyển mạch
khá lớn, có thể đến 100kHz. Độ tuyến tính của điện áp cao do tụ kí sinh trên van
nhỏ.
Tuy vậy công suất của MOSFET không cao, khả năng làm việc ở điện áp
cao không bằng được BJT. Các MOSFET công suất lớn thường có điện áp làm
việc dưới 1kV và dòng điện cỡ vài chục Ampe.

Tổn hao và làm mát MOSFET:
MOSFET là van bán dẫn có tổn hao nhỏ nhất trong tất cả các van bán dẫn có
thể sử dụng ở chế độ đóng cắt. Do sử dụng chuyển mạch bằng hiệu ứng trường
Đồ án II
23

nên quá trình chuyển mạch gây ra tổn hao nhỏ. Đi liền với đó là việc làm mát cho
MOSFET tương đối đơn giản, có thể sử dụng hiệu suất dòng cao mà vẫn có thể
đảm bảo điều kiện làm mát. Do vậy khi dải công suất cỡ vài trăm oat thì ta nên sử
dụng MOSFET làm phần tử đóng cắt.

 Những vấn đề cơ bản về IGBT
Dải công suất của IGBT:
Dải công suất của IGBT có thể nói là lớn nhất trong các van sử dụng nguyên
lý chuyển mạch bằng dòng xung điều khiển. Do không bị hạn chế về điều khiển
nên có thể chế tạo IGBT với công suất khá lớn với giá thành không quá cao. Ngày
nay IGBT có thể chế tạo điện điện áp cỡ 6kV và dòng điện cỡ 3kA, trong khi yêu
cầu điện áp mạch điều khiển chỉ khoảng 20V và không cần dòng điều khiển do
điều khiển IGBT là bằng điện áp như MOSFET. Tần số chuyển mạch của IGBT
cũng khá lớn, thông thường các IGBT công suất có tần số làm việc khoảng 20kHz.
Tổn hao và làm mát cho IGBT:
Trong quá trình vận hành IGBT có tổn hao thấp hơn BJT song lại cao hơn
MOSFET. Do vậy quá trình làm mát của IGBT phải đặc biệt được chú ý khi dải
công suất tăng cao.
Dựa vào những phân tích về ưu, nhược điểm của các loại van bán dẫn
trên và yêu cầu đặt ra của đề tài, em lựa chọn van MOSFET cho đề tài này.
c. Tính chọn van cho mạch lực
Bộ nghịch lưu có các thông số: P = 1kW, U
dm
= 220(V)

Dòng điện chạy trong các van:
 







 
Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua mosfet còn phụ thuộc vào các điều
kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Ta có thể lựa chọn dòng điện theo các điều
kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:
Làm mát tự nhiên:






 

     
Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió:



  



 


  

 




Đồ án II
24

Làm mát cưỡng bức bằng nước:


 

 

 




Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng trong bài :
 Điện áp VDS (Mosfet) hay VCE (IGBT) > VDC = 300V
 Chịu được tần số đóng ngắt cao (10kHz)
 Dòng điện qua linh kiện > 13.62A
 Tổn hao nhỏ, làm mát đơn giản.

 IRFP460 được lựa chọn : thỏa mãn các yếu tố trên, có thể mua dễ dàng.

Hình 22: IRFP460

Hình 23: Sơ đồ mạch lực
Đồ án II
25

2.2.4 Mạch nguồn
a. Nguồn cho vi điều khiển

Hình 24: Sơ đồ nguyên lý mạch nguyên cho vi điều khiển
Mạch nguồn cho vi điều khiển sử dụng IC ổn áp LM7805. Đây là IC phổ
biến được dùng nhằm ổn định điện áp.
Đặc điểm:
- Dòng cực đại có thể duy trì: 1A
- Dòng đỉnh: 2,2A
- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W
- Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:
P
d
= (U
in
– U
out
).I
Trong đó: U
in
: điện áp đầu vào.

U
out
: điện áp đầu ra.
I : dòng làm việc
Nếu đặt U
in
quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn sẽ làm giảm hiệu
suất. Tuy nhiên, để IC làm việc được ổn định, cần giữ điện áp vào lớn hơn điện
áp ra khoảng 2V.



Hình 24: IC LM7805