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

/>

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

/>

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 DCAC(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

/>

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full