Đồ án chuyên ngành thiết kế mạch đo áp xoay chiều 3 pha cho bộ khởi động mềm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN: TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MẠCH ĐO ÁP XOAY CHIỀU 3 PHA CÁCH LY
CHO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM

Trưởng bộ môn

: TS. Trần Trọng Minh

Giảng viên hướng dẫn

: Ths. Võ Duy Thành

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Hoàng Thạch

Lớp

: ĐK và TĐH 7 – K56

MSSV

: 20112216

HÀ NỘI, 6-2015

Mục lục

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ..........................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................3
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ....................................................................4
1.1.

Khởi động mềm......................................................................4

1.2.

Vấn đề đo điện áp..................................................................5

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG..............................6
2.1.

Khối phân áp vào...................................................................7

2.2.

Khối khuếch đại đo lường.......................................................7

2.3.

Khối hiệu chỉnh......................................................................8

2.4.

Khối nguồn.............................................................................9

2.5.

Mô phỏng.............................................................................10

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ..........................................13
3.1.

Thiết kế mạch in..................................................................13

3.2.

Quá trình kiểm tra mạch......................................................14

3.3.

Kết quả đo với nguồn 3 pha.................................................15

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN......................................................................16
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................17


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1- 1: Cấu trúc bộ khởi động mềm.................................................
Hình 2- 1: Sơ đồ khối mạch đo điện áp 3 pha.....................................6
Hình 2- 2: Tín hiệu cần đo và tín hiệu sau biến đổi............................6
Hình 2- 3: Tín hiệu sau offset.............................................................7

Hình 2- 4: Khối phân áp......................................................................7
Hình 2- 5: Khối khuếch đại đo lường...................................................8
Hình 2- 6: Khối hiệu chỉnh..................................................................9
Hình 2- 7: Nguồn đối xứng ±12V........................................................9
Hình 2- 8: Nguồn +5V.........................................................................9
Hình 2- 9: Kết quả mô phỏng trên Multisim......................................10
Hình 2- 10: Kết quả mô phỏng trên multisim khi có nhiễu 60V,
100kHz.............................................................................................10
Hình 2- 11: Kết quả mô phỏng trên proteus.....................................11
Hình 2- 12: Kết quả mô phỏng trên proteus khi có nhiễu 20V, 10kHz.
.........................................................................................................12

Y
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

3333333-

1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:

Mạch in lớp trên...............................................................13
Mạch in lớp dưới...............................................................13
Hình ảnh mạch thực.........................................................14
Các đầu ra khi chưa đặt áp vào.......................................14
Kết quả từng pha.............................................................15
Que đo cách ly.................................................................15
Kết quả thực nghiệm với 3 pha........................................15

2


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Khởi động động cơ bằng bộ khởi động mềm có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động,
trong khi vẫn sinh ra mômen khởi động đủ lớn. Với bộ khởi động mềm cần phải đo
điện áp đầu vào, đầu ra để điều khiển một cách hợp lý. Ngoài ra, việc đo điện áp còn để
giám sát, bảo vệ quá áp, thấp áp…
Vì thế mục tiêu của đồ án là thiết kế mạch đo điện áp lưới 3 pha (220/380V), tần số
50Hz có đầu ra là điện áp nằm trong khoảng 0-5V để có thể đưa vào vi điều khiển.
Đồ án được thực hiện bao gồm 4 chương:
-

Chương 1: Đặt vấn đề: Trình bày về bộ khởi động mềm và vấn đề đo điện áp.

-

Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

-

Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

-

Chương 4: Kết luận

Xin chân thành cảm ơn ThS. Võ Duy Thành đã tận tâm hướng dẫn trong quá trình em
thực hiện đồ án. Những kiến thức, kinh nghiệm mà thầy truyền đạt đã giúp em tránh
khỏi những bỡ ngỡ ban đầu khi thực hiện thiết kế cũng như thi công mạch thực.
Do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm còn thiếu nên đồ án không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy, cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Thạch

3


Chương 1: Đặt vấn đề

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Khởi động mềm
Động cơ điện không đồng bộ 3 pha là một trong những bộ phận phổ biến và quan
trọng trong các thiết bị công nghiệp. Quá trình khởi động của động cơ điện xoay chiều
3 pha trực tiếp thường đi liền với nhiều bất cập. Trước hết là mômen khởi động lớn (cỡ
1,5-2 lần mômen định mức) có thể dẫn đến làm hỏng hóc máy móc. Tiếp nữa là dòng

điện khởi động rất lớn 7-8 lần dòng định mức động cơ, có thể là nguyên nhân gây ảnh
hưởng đến hệ thống điện. Phương pháp khởi động sao-tam giác được thiết kế để làm
giảm dòng điện khởi động và làm mômen tăng lên từ từ trong suốt quá trình khởi động.
Tuy nhiên đó chưa phải là phương pháp khởi động tối ưu; vì dùng những phần tử đóng
cắt có tiếp điểm, quá trình khởi động vẫn nhảy cấp, vẫn có xung lực gây giật cơ cấu và
xung dòng khởi động lớn.
Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng bộ biến đổi bán dẫn có điều chỉnh điện áp xoay
chiều trên cơ sở các tiristo mắc song song ngược. Đó là bộ khởi động mềm có tác dụng
hạn chế dòng điện khởi động và sinh ra mômen đủ lớn cho động cơ trong quá trình
khởi động.

Hình 1- 1: Cấu trúc bộ khởi động mềm

Cấu trúc bộ khởi động mềm gồm những phần sau:
+) Mạch van
Mạch van gồm 3 cặp tiristo mắc song song ngược.
4


Mục lục

+) Driver
Driver có nhiệm vụ nhận điện áp điều khiển 0-10V từ đó tính toán và xuất ra xung điều
khiển tiristo.
+) Mạch điều khiển, bảo vệ
Dựa vào tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi mà tính toán để xuất điện áp điều khiển. Khi
có sự cố xảy ra (quá áp, quá dòng…) thì mạch bảo vệ sẽ hoạt động.
+) Giao tiếp: hiển thị các tham số và cài đặt các tham số.
+) Mạch đo điện áp, dòng điện (có thể ghép vào phần điều khiển của bộ khởi động
mềm).

Bộ khởi động mềm hoạt động trên cơ sở mạch điều áp xoay chiều 3 pha. Khi thay đổi
góc điều khiển α thì điện áp hiệu dụng ra tải thay đổi.

1.2.Vấn đề đo điện áp
Để có thể tính toán được thời điểm phát xung cho tiristo thì cần biết thời điểm chuyển
mạch qua không của điện áp lưới 3 pha. Do đó cần phải đo điện áp pha của lưới. Để
điều khiển thì cần đo điện áp ra rồi phản hồi so sánh với điện áp đặt, từ đó qua bộ điều
khiển xuất ra tín hiệu điều khiển. Ngoài 2 vấn đề vừa nêu, việc đo điện áp còn dùng để
giám sát, bảo vệ khi quá áp hoặc thấp áp…
Có 2 phương pháp đo: lấy đỉnh, tức thời
-

Lấy đỉnh thì đơn giản, nhưng tốc độ khá chậm, điện áp phải có dạng sin hoặc
gần sin.

-

Tức thời thì nhanh, phù hợp với các dạng điện áp khác nhau, tuy nhiên cần
bộ xử lý có tần số hoạt động lớn.

Với bộ khởi động mềm, điện áp ra là không sin. Vì vậy cần dùng phương pháp đo tức
thời để đo điện áp pha.


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG
Từ vấn đề được đặt ra, có sơ đồ tổng quan mạch đo như sau:

Hình 2- 1: Sơ đồ khối mạch đo điện áp 3 pha

Về mặt lý tưởng điện áp Upha=220V (hiệu dụng), tuy nhiên với lưới thực tế thì luôn có
nhiễu. Do đó, khi thiết kế sẽ tính với Upha=250V.
Với lưới điện, điện áp sẽ dao động sin quanh điểm 0. Nếu mạch đo chỉ có tác dụng
biến đổi điện áp cần đo về dạng sin và dao động quanh điểm 0 thì vẫn chưa thỏa mãn.
Vì điện áp tham chiếu của vi điều khiển là 0-5V, nên khi đầu ra của mạch đo nằm ở
phần âm thì kết quả vi điều khiển thu được luôn là 0. Thế thì cần phải chỉnh điểm 0
(offset) lên 2,5V.
Khi đó, hệ số biến đổi của mạch đo cần thỏa mãn:

Hình 2- 2: Tín hiệu cần đo và tín hiệu sau biến đổi


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 3: Tín hiệu sau offset

2.1. Khối phân áp vào
Vì cần đo điện áp theo từng pha nên khối phân áp vào được mắc theo hình sao, điểm
trung tính là n.

Hình 2- 4: Khối phân áp

Giá trị điện trở phân áp đầu vào là lớn nên giảm dòng điện từ đó giảm công suất

Như vậy điện trở 220k cần dùng loại công suất 1W, điện trở 3.3k dùng loại 1/4W.
Hệ số biến đổi tại khâu phân áp vào là:

2.2.Khối khuếch đại đo lường
Khối khuếch đại đo lường sử dụng 3 khuếch đại thuật toán (Opam). Đó là sự kết hợp

giữa mạch lặp lại và mạch khuếch đại điện áp; có ưu điểm là trở kháng vào lớn, hạn


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

chế nhiễu đồng pha, độ ổn định cao, tổng trở ra thấp. Với ưu điểm trở kháng vào lớn
như vậy thì mạch có tác dụng cách ly phần lực với phần điện áp thấp phía sau.

Hình 2- 5: Khối khuếch đại đo lường

Các diode có tác dụng hạn chế điện áp đưa vào. Các tụ được thêm vào có tác dụng
chống nhiễu cho mạch.
Hệ số biến đổi là:
Suy ra hệ số biến đổi của cả 2 khối:
thỏa mãn yêu cầu về hệ số biến đổi. Nhưng sau khối này, tín hiệu ra bị ngược pha so
với điện áp cần đo.

2.3. Khối hiệu chỉnh
Khâu hiệu chỉnh có tác dụng hiệu chỉnh tín hiệu vào trong khoảng 0-5V để có thể
đưa vào vi điều khiển để xử lý. Để làm được điều đó thì cần có điện áp tham chiều
2,5V chuẩn. Trên thị trường hiện có LM336 và TL431 có khả năng tạo ra được điện
áp tham chiều 2,5V chuẩn. Do LM336 đắt hơn và khó mua nên sẽ dùng TL431 để
thiết kế.
Với mạch này cần xoay biến trở để đạt được đầu ra 2,5V khi không tải.
Khi qua Opam thứ nhất, tín hiệu sẽ được cộng offset lên 2,5V.
Khi qua Opam thứ hai, tín hiệu sẽ dạng sin đồng pha với điện áp cần đo.


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 6: Khối hiệu chỉnh

2.4. Khối nguồn
Các IC khuếch đại thuật toán cần nguồn cung cấp đối xứng ±12V nên khối nguồn có
LM7812 để tạo điện áp +12V và LM7912 để tạo điện áp -12V. Do đó cần có biến áp
đối xứng hạ từ điện áp lưới 220V, 50Hz xuống 15V, 50Hz rồi qua chỉnh lưu.

Hình 2- 7: Nguồn đối xứng ±12V

TL431 dùng nguồn +5V nên khối nguồn có thêm LM7805 để tạo điện áp +5V.

Hình 2- 8: Nguồn +5V

Sau mỗi đầu ra của mỗi nguồn đều có led báo nguồn.

2.5. Mô phỏng
Phần mềm mô phỏng multisim của hãng National Instruments, một trong những
chương trình phổ biến nhất trong thế giới của thiết kế mạch điện tử.


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Kết quả mô phỏng khi đo 1 pha

Hình 2- 9: Kết quả mô phỏng trên Multisim

Kết quả mô phỏng khi đo 1 pha và có nhiễu cao tần (60V/100kHz)

Hình 2- 10: Kết quả mô phỏng trên multisim khi có nhiễu 60V, 100kHz

Phần mềm mô phỏng proteus


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Labcenter Electronics, mô phỏng
cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng. Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS
cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Proteus là công cụ mô phỏng
các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả.
Kết quả mô phỏng

Hình 2- 11: Kết quả mô phỏng trên proteus


Chương 2: Thiết kế nguyên lý và mô phỏng

Hình 2- 12: Kết quả mô phỏng trên proteus khi có nhiễu 20V, 10kHz.


Chương 3: Thực nghiệm và kết quả

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
3.1. Thiết kế mạch in
Để thiết kế mạch in có thể dùng phần mềm altium, orcard, ares (trong proteus),
eagle…
Phần mềm altium có bộ thư viện lớn, hỗ trợ nhiều, đồ họa đẹp. Trong quá trình làm đồ
án, phần mềm altium được dùng để thiết kế mạch in.
Lớp trên

Hình 3- 1: Mạch in lớp trên

Lớp dưới

Hình 3- 2: Mạch in lớp dưới


Hình ảnh thực

Hình 3- 3: Hình ảnh mạch thực

Phần điện áp cao được vẽ tách riêng và không phủ đồng.

3.2. Quá trình kiểm tra mạch
Kiểm tra nguồn: đo thông mạch đầu vào xoay chiều, đo thông mạch +12V với GND,
đo thông mạch -12V với GND, đo thông mạch +5V với GND. Cắm nguồn: các led
sáng bình thường, tản nhiệt mát.
Khi không tải thì các đầu ra là 2,5V (cần xoay biến trở để đạt được đầu ra 2,5V)
Đầu ra pha a

Đầu ra pha b

Đầu ra pha c

Hình 3- 4: Các đầu ra khi chưa đặt áp vào


3.3.


3.4.Kết quả đo với nguồn 3 pha

Vì oscilloscope thiếu que đo cùng loại nên trước tiên tiến hành đo từng pha để kiểm tra
biên độ.
Pha a

Pha b

Pha c

Hình 3- 5: Kết quả từng pha

Dạng sóng ra sin, biên độ gần bằng nhau.
Tiếp theo dùng 2 que đo cùng loại và 1 que đo cách ly, để kiểm tra góc lệch pha.

Hình 3- 6: Que đo cách ly

Kết quả đo với cả 3 pha.

Hình 3- 7: Kết quả thực nghiệm với 3 pha


Chương 4: Kết luận

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
Dạng điện áp đo được sin, kết quả trong khoảng 0-5V có thể đưa vào vi điều khiển.
Kết quả có nhiễu, biên độ có sự chênh lệch nhỏ, đó là do các tụ lọc chưa tốt, các điện
trở có giá trị sai số lớn. Vì thế cần dùng tụ tốt hơn, trở có độ chính xác cao hơn (trở
xanh với sai số nhỏ hơn 1%).
Một số điểm cần bổ sung khi thiết kế mạch in: đèn báo nguồn 3 pha, các cầu đấu đưa
tín hiệu ra ngoài.
Qua đồ án này em đã nắm được cách sản xuất ra một sản phẩm thực tế: thiết kế nguyên

lý, thiết kế mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra mạch cho tới tối ưu mạch.
Mạch đo điện áp được thiết kế để ứng dụng vào bộ khởi động mềm. Nhưng vì thiết kế
dưới dạng module nên cũng có thể áp dụng được cho những ứng dụng khác, chẳng hạn
như để đánh giá chất lượng điện năng.


Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Trọng Minh. Giáo trình Điện tử công suất. Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.
2012.
[2] Nguyễn Văn Hòa (chủ biên), Bùi Đăng Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng. Giáo trình Đo
lường điện và cảm biến đo lường. Nhà xuất bản Giáo Dục, 2005.
[3] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa, Nguyễn Thị Vân. Kỹ
thuật đo lường các đại lượng vật lí (tập 1, tập 2). Nhà xuất bản Giáo Dục, 2006.
[4] B E Noltingk. Instrumentation Reference Book (Second edition). 1995.
[5] Nguyễn Trinh Đường (chủ biên), Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc
Cường. Điện tử tương tự. Nhà xuất bản Giáo Dục Việt Nam. 2011.