-1- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ MINH THƢ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC – AC CHẤT LƯỢNG CAO CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Trần Xuân Minh PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC Thái Nguyên – 2014 -2- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 -3- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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. 3. Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chƣơng 1: Tổng quan về bộ biến đổi điện áp DC - AC. Chƣơng 2: Thiết kế phần cứng. Chƣơng 3: Xây dựng phần mềm bộ biến đổi DC - AC. Chƣơng 4: Xác định các đặc tính của thiết bị bằng thực nghiệm. Kết luận và kiến nghị -4- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-AC 1.1 , m các được biến đổi thành ở phải các . 1.2. Các bộ biến đổi điện năng Các bộ năng . Các điện áp thông dụng hiện nay: + AC – AC. + AC – DC. + Bộ biến đổi DC – AC. -5- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ + – DC. - – AC: B ). - – DC ) ). - – . - – ). trên, 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 hay bộ biến tần. Các 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. (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. (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 -6- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 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 lƣu) 1.3.1. Tổng quan về nghịch lƣu 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 ra có thể , dùng để cung cấp cho tải xoay chiều. Phân loại các bộ nghịch lƣu: 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. -7- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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. 1.3 1 pha – . - AC trư DC – AC . - : 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 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: 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 -8- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - 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 . - 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) -9- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 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) + -10- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Transistor + - 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 + Hình 1.5: Sơ đồ mạch lực của nghịch lưu áp một pha [...]... việc Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi DC- AC chất lƣợng cao với những ưu điểm là: Linh kiện sẵn có tại thị trường 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 là rất quan trọng Dựa trên 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... dụng bộ lọc LC biến đường cong bậc thang đó thành hình gần giống sin Với đầu ra của biến áp càng nhiều cấp điện áp khác nhau thì chất lượng đầu ra của bộ nghịch lưu càng được 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. .. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -28- CHƢƠNG 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. .. 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 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... 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 lọc các xung nhiễu cao tần nhờ các tụ C1 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 Hình 1.12: Biến. .. thọ thiết bị kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra 1.3.5 Hình 1.10: Sơ đồ ghép bộ lọc LC ở ngõ ra Nghịch lưu sóng vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra có cấu tạo giống bộ nghịch lưu sóng vuông và được ghép thêm bộ lọc LC sau đầu ra của cuộn thứ cấp như hình 1.10 Dạng sóng của bộ nghịch lưu sau khi đã kết hợp với bộ lọc LC đã mềm hóa sóng vuông, giảm bớt biên độ sóng hài bậc cao Nhưng mới chỉ cải thiện chất lượng. .. quat, máy bơm, các động cơ nhỏ - Hiệu suất cao hơn so với hai loại trước * Nhƣợc điểm: - Giá thành tương đối cao, mạch tương đối phức tạp đòi hỏi phải có kiến thức chắc mới có thể tìm hiểu và thi công lắp đặt được Các dạng biến đổi DC – AC như đã nêu trên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: trong kỹ thuật có các bộ biến đổi điện áp chất lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm, trong các... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -24- + Biến trở RV3.1 là biến trở có thể điều chỉnh điện áp cấp cho mạch + Điện trở R3.1 và R3.2 tạo thành cầu phân áp + Tụ C3.4 là tụ lọc 2.2.2.5 Mạch bảo vệ quá nhiệt độ - Dùng cảm biến nhiệt độ để kiểm tra nhiệt độ của BBĐ, khi nhiệt cao hơn 500C thì bật quạt làm mát 5v R4.1 Unh 56k RT4.1 R4.2 KTY81-1XX 30k +tc 12V AREF AVCC PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL PC6/RESET... Các sóng hài bậc cao này ảnh hưởng tới các phụ tải điện làm giảm hiệu suất cũng như tuổi thọ của thiết bị Do đó cần cải thiện chất lượng 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 CHƢƠNG 2: TH PHẦN CỨNG 2.1 Đặt vấn đề Để xây dựng được bộ biến đổi hoàn chỉnh gồm... 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 (cỡ 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, . Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 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 cứu thiết kế chế tạo phần cứng của bộ. 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