-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. 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 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. -2- 3. Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi điện áp DC - AC. Chương 2: Thiết kế phần cứng. Chương 3: Xây dựng phần mềm bộ biến đổi DC - AC. Chương 4: Xác định các đặc tính của thiết bị bằng thực nghiệm. Kết luận và kiến nghị -3- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ B BIN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-AC 1.1. Đt vấn đề Trong thực tế hiện nay ngoài việc sử dụng năng lượng điện từ lưới điện công nghiệp, xu hướng tăng cường năng lượng điện từ dạng năng lượng tái sinh hay năng lượng mới thân thiện với môi trường hơn. Ví dụ: năng lượng sức gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời , một phần lớn các dạng năng lượng này ban đầu được biến đổi thành điện năng ở dạng điện năng một chiều như pin mặt trời, địa nhiệt Trong khi đó các thiết bị sử dụng điện trong công nghiệp và dân dụng hiện nay thường là các thiết bị được sản xuất làm việc với điện áp xoay chiều. Vì vậy muốn sử dụng tốt có hiệu quả các dạng năng lượng này ta phải thực hiện biến đổi năng lượng đầu ra của các nguồn năng lượng trên thành điện năng xoay chiều phù hợp với các loại phụ tải đang sử dụng. Đây là một vấn đề đang được quan tâm nhiều Việc nghiên cứu để thiết kế được một bộ biến đổi điện áp một chiều với cấp điện áp nguồn c 12 V thành điện áp xoay chiều có tần số và giá trị như mạng điện công nghiệp hạ áp và có chất lượng cao vẫn đang còn là vấn đề cấp thiết. 1.2. Các bộ biến đổi điện năng Các bộ biến đổi điện năng là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác phù hợp với nguồn điện và phụ tải điện. Các bộ biến đổi điện áp thông dụng hiện nay: + Bộ biến đổi AC – AC. + Bộ biến đổi AC – DC. + Bộ biến đổi DC – AC. + Bộ biến đổi DC – DC. -4- - Bộ biến đổi AC – AC: Biến đổi điện áp xoay chiều có giá trị tần số và điện áp cố định thành điện áp xoay chiều có giá trị điện áp khác (dạng điện áp ra thường không sin). - Bộ biến đổi AC – DC (Bộ chỉnh lưu): Biến đổi điện áp xoay chiều m pha thường có tần số và trị số điện áp cố định thành điện áp một chiều có giá trị không đổi (không điều khiển) hoặc có giá trị điều khiển được (có điều khiển). - Bộ biến đổi DC – AC (Bộ nghịch lưu): Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số không đổi hoặc điều khiển được. - Bộ biến đổi DC – DC: Biến đổi điện áp một chiều có trị số không đổi thành điện áp một chiều có thể điều khiển được theo nguyên tắc xung (xung điện áp). Ngoài 4 bộ biến đổi cơ bản trên, trong công nghiệp còn thường sử dụng 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 đổi tần số hay bộ biến tần. Các bộ biến đổi tần số 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. + Bộ biến đổi tần số trực tiếp (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. + Bộ biến đổi tần số gián tiếp (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 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 -5- 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 lưu) 1.3.1. Tổng quan về nghịch lưu 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 đầu ra có thể điều khiển được, dùng để cung cấp cho tải xoay chiều. Phân loại các bộ nghịch lưu: 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. 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. -6- 1.3.2. Các sơ đ nghịch lưu điện áp 1 pha Các bộ biến đổi điện áp DC – AC như đã nêu ở trên thực chất là bộ nghịch lưu xoay chiều 1 pha thường được gọi là bộ nghịch lưu điện áp một pha. Với mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ biến đổi điện áp DC - AC trước tiên cần tìm hiểu các sơ đồ bộ biến đổi DC – AC để có thể lựa chọn được sơ đồ phù hợp. - Nguyên tắc khống chế: 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. 1.3.2.1. Sơ đ s dụng 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: - 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 . 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 -7- - 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) - 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) + -8- 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 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 + -9- 1.3.2.2. Sơ đ s dụng 4 Transistor 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 (c 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. Hình 1.5: Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha dạng cầu s dụng transistor -10- 1.3.3. Nghịch lưu điều chế độ rộng xung hnh sin (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 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 [...]... phần cứng bộ biến đổi DC - AC Từ các khối đã chọn luận văn xây dựng sơ đồ nguyên lý phần cứng bộ biến đổi DC – AC như phụ lục 1 -26- CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM BỘ BIẾN ĐỔI DC - AC 3.1 Đặt vấn đề Để giải quyết nhu cầu của thị trường về bộ biến đổi điện áp DC - AC giải quyết tình huống mất điện lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên việc “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC- AC chất... đến C4 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 -16- Hình 1.12: Biến đổi DC- AC 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... cấu trúc phần cứng đã được xây dựng đó trong luận văn này trình bày thiết kế phần mềm điều khiển bộ biến đổi DC - AC để đảm bảo điện áp ra có chất lượng cao: Dạng sine chuẩn, triệt tiêu sóng hài bậc cao chỉ còn dạng sóng hài cơ bản, hiệu suất công suất bằng 1 3.2 Giới thiệu cấu trúc chung của bộ biến đổi Phần mềm điều khiển Nguồn Ắc quy Phím ấn Bộ điều khiển trung tâm Hồi tiếp Chuyển đổi DC - AC Chuyển... 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... 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 -19- CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 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... 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... tạo chất lượng tốt hơn thường sử dụng phối hợp điều chỉnh độ rộng xung hình sin kết hợp bộ lọc 1.3.4 Bộ biến đổi dùng Transistor kết hợp biến áp đầu ra 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 -13- Ở nửa... DDRx b Bộ nhớ AVR ATmega 8 - AVR có 2 không gian bộ nhớ chính là bộ nhớ dữ liệu vào bộ nhớ chương trình Ngoài ra ATmega 8 còn có thêm bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu Bộ nhớ chương trình (bộ nhớ Flash) -32- Bộ nhớ Flash 8Kb của ATmega 8 dùng để lưu trữ chương trình Do các lệnh của AVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo kiểu 8Kx16 Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành... các yêu cầu điều khiển của người dùng sau đó truyền về bộ xử lý trung tâm để thực hiện yêu cầu đó * Biến đổi DC – AC - Thực hiện biến đổi tín hiệu một chiều từ ắc quy thành tín hiệu xoay chiều, có tần số là tần số cấp tới từ bộ điều khiển trung tâm - Thực hiện lọc tín hiệu đầu ra * Chuyển mạch - Thực hiện chuyển mạch bằng các rơle để thực hiện thay đổi của các quá trình (nghịch lưu hoặc nạp điện) * Hồi... phần dành cho chương trình boot và phần dành cho chương trinh ứng dụng Bộ nhớ dữ liệu SRAM 1120 ô nhớ dữ liệu đinh địa chỉ cho file thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ dữ liệu SRAM nội Trong đó 96 ô nhớ đầu tiên định địa chỉ cho file thanh ghi và bộ nhớ I/O và 1024 ô nhớ tiếp theo định địa chỉ cho bộ nhớ SRAM nội Hình 3.2 Cấu trúc bộ nhớ Bộ nhớ dữ liệu EEPROM Đây là bộ nhớ dữ liệu có thể ghi xoá ngay . điện áp thông dụng hiện nay: + Bộ biến đổi AC – AC. + Bộ biến đổi AC – DC. + Bộ biến đổi DC – AC. + Bộ biến đổi DC – DC. -4 - - Bộ biến đổi AC – AC: Biến đổi điện áp xoay chiều có giá. điều khiển). - Bộ biến đổi DC – AC (Bộ nghịch lưu): Biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số không đổi hoặc điều khiển được. - Bộ biến đổi DC – DC: Biến đổi điện áp một. 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