Nghiên cứu thiết kế thiết bị inverter 50hz chuẩn sóng sin trong hệ thống ats

  • 51 trang
  • file .doc
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường Đại Học
Hàng Hải Việt Nam, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ trau dồi kiến thức
của các quý thầy cô giáo và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp
này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Bộ môn Điện tử viễn thông cùng quý thầy cô
trong khoa Điện – Điện tử đã hướng dẫn và giảng dạy em trong suốt quá trình
học tập.
Em xin cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn thầy Ngô Xuân Hường
và thầy Vũ Xuân Hậu đã tận tình, chu đáo chỉ bảo em trong quá trình làm cũng
như hoàn thiện đề tài.
Em đã đi sâu tìm hiểu phần biến đổi năng lượng một chiều ra năng lượng
xoay chiều mà cụ thể là mạch kích điện áp 12V một chiều(DC) lên điện áp
220V xoay chiều(AC) công suất 400W.
Đề tài của em đã được hoàn thành, nhưng sẽ không tránh khỏi những
sai sót nhất định. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và
các bạn để đề tài tốt nghiệp của em được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải phòng, tháng 11, năm 2015
Sinh viên thực hiện đề tài
Nguyễn Huy Hoàng
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan :
1. Những nội dung trong luận văn của tôi được thực hiên dưới sự giám sát
và hướng dẫn trực tiếp của hai thầy Ngô Xuân Hường và Vũ Xuân Hậu.
2. Mọi tham khảo trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên
công trình, thời gian và địa điểm công bố.
3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá. Tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
MỤC LỤC
ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..............................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................1
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ INVERTER TRONG HỆ
THỐNG ATS........................................................................................................2
1.1. Giới thiệu về hệ thống ATS...........................................................................2
1.1.1.Quy cách chọn tủ ATS:...............................................................................2
1.1.2. Phân loại:....................................................................................................2
1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm:.............................................................................2
1.1.4 Chức năng hoạt động của tủ ATS:.............................................................3
1.2. Giới thiệu về các bộ kích điện (Inverter) trong hệ thống ATS:...................4
1.2.1 Chức năng của Inverter:.............................................................................4
1.2.2 Ưu điểm và ứng dụng của Inverter............................................................5
1.2.3 Nguyên lý hoạt động:..................................................................................6
1.3. Họ vi điều khiển AVR....................................................................................6
1.3.1 Tìm hiểu về cấu tạo bên trong AVR...........................................................6
1.3.2 Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc của AVR....................................................7
1.4 Các thiết bị và linh kiện hỗ trợ......................................................................9
1.4.1 Đèn báo........................................................................................................9
1.4.2. nút emergency stop...................................................................................10
1.4.3 công tắc chuyển mạch 3 pha.....................................................................10
1.4.4 công tắc tơ..................................................................................................10
1.4.5 ắc quy.........................................................................................................11
1.4.6. Các linh kiện hỗ trợ..................................................................................11
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẠCH..................................13
iii
2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch Inverter............................................................13
2.2 Phân tích từng khối trong mạch nguyên lý.................................................14
2.3 Mạch động lực..............................................................................................18
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MẠCH...................................21
3.1 Phân tích cách tạo sóng sin 50Hz................................................................21
3.3 Chương trình chạy Inverter.........................................................................26
3.3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính....................................................26
3.3.2 Chương trình tạo xung 50Hz....................................................................27
3.4 Hoàn thiện sản phẩm...................................................................................28
3.4.1 Modul điều khiển.......................................................................................28
3.4.2 Nạp chương trình cho vi điều khiển.........................................................28
3.4.3 Hệ thống sau khi hoàn thiện.....................................................................36
3.4.4 Đánh giá và khảo sát thực tế......................................................................39
KẾT LUẬN.........................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................44
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình Tên hình Trang
1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống ATS 3
1.2 Sơ đồ bên trong của biến tần Inverter 4
1.3 Sơ đồ chi tiết mạch điện của Inverter 5
1.4 Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc AVR 7
1.5 Cấu trúc thanh ghi 8
1.6 Cấu trúc bộ nhớ của AVR 9
1.7 Đèn báo 9
1.8 Emergency stop button 10
1.9 Công tắc chuyển mạch 3 pha 10
1.10 Công tắc tơ 10
1.11 Ắc quy 11
1.12 Tụ gốm 11
1.13 Tụ hóa 11
1.14 Điện trở 12
1.15 Đèn LED 12
1.16 Nút ấn 12
2.1 Sơ đồ khối của bộ kích xung 13
2.2 Sơ đồ khối tín hiệu đầu vào 14
2.3 Sơ đồ khối tạo dao động 50Hz 15
2.4 Sơ đồ khối trung tâm điều khiển hệ thống ATS 15
2.5 Sơ đồ khối tạo xung 50Hz 16
2.6 Sơ đồ khối điều khiển acquy 17
2.7 Sơ đồ biến áp đầu vào lưới 17
2.8 Sơ đồ mạch động lực 19
v
3.1 Sóng sin chuẩn và chùm xung vuông đối xứng 21
3.2 Cách tạo sóng sin 50Hz 22
3.3 Tạo file chương trình 22
3.4 Chọn loại chip để lập trình 23
3.5 Chọn chip 23
3.6 Chọn tần số xung 24
3.7 Chọn tần số cho Timer 1 24
3.8 Giao diện chương trình 25
3.9 Lưu đồ thuật toán chương trình chính Inverter 26
3.10 Lưu đồ thuật toán chương trình tạo xung 50Hz 27
3.11 Mạch điều khiển Inverter 28
3.12 Giao diện phần mềm nạp chip 29
3.13 Kết nối mạch nạp với máy tính 30
3.14 Kết nối mạch nạp với PIC/dsPIC 30
3.15 Mở file 31
3.16 Kết nối mạch nạp với AT89S,AVR và EEPROM 32
3.17 Thao tác ghi Fuse 33
3.18 Nạp xong 33
3.19 Ghi Fuse khi chạy thạch anh ngoài dưới 8MHz 34
3.20 Nạp thành công 35
3.21 Hình ảnh mạch nạp chip Burn-E 35
3.22 Mặt trước hệ thống ATS 36
3.23 Mặt trong cánh hệ thống ATS 37
3.24 Toàn bộ bên trong hệ thống ATS 38
3.25 Điều chính các thông số trên Oscilloscope 39
3.26 Dạng tín hiệu sin chuẩn đầu ra của điện lưới 39
3.27 Tín hiệu sin đầu ra của hệ thống ATS 40
vi
3.28 Đo điện áp ra bằng đồng hồ số 41
3.29 Đo điện áp ra bằng dồng hồ kim 41
vii
LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại hiện nay, nhu cầu sử dụng điện là rất lớn và hết
sức cần thiết. Ta sử dụng điện để chiếu sáng, để duy trì hoạt động cho các thiết
bị máy móc, để phục vụ thông tin liên lạc....
Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để có được nguồn điện ổn định và phục vụ
được tối đa các nhu cầu cần sử dụng hiện nay. Các biện pháp được đặt ra là sử
dụng các nguồn điện dự phòng hiện đang rất phổ biến, vì thế tôi đã đưa ra giải
pháp có thể biến đổi các nguồn dự phòng một chiều(DC) như acquy thành
nguồn điện xoay chiều(AC) có chất lượng và có công suất đủ lớn để sinh hoạt và
sản xuất.
Mục tiêu của bài luận này là “Nghiên cứu thiết kế thiết bị Inverter 50Hz
chuẩn sóng sin trong hệ thống ATS” với các nội dung chính như sau:
Chương 1: Cở sở lý thuyết về thiết bị Inverter trong hệ thống ATS
Chương 2: Thiết kế phần cứng cho mạch
Chương 3: Thiết kế phần mềm cho mạch
1
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT BỊ INVERTER TRONG
HỆ THỐNG ATS
1.1. Giới thiệu về hệ thống ATS
- “ATS (Automatic Transfer Switch) là bộ chuyển đổi nguồn tự động từ
nguồn này sang nguồn khác (Ví dụ: Chuyển từ dùng điện lưới sang dùng điện từ
máy phát điện hoặc ắc quy khi mất điện lưới)
- Ngoài ra, hệ thống chuyển đổi nguồn tự động (ATS) có chức năng bảo
vệ điện lưới khi gặp sự cố như: mất pha, mất trung tính hay thấp áp...”
1.1.1.Quy cách chọn tủ ATS:
-Thứ nhất: Phù hợp với công suất máy
-Thứ hai: Bảo đảm các yêu cầu về tính năng điều khiển
1.1.2. Phân loại:
Khi phân loại hệ thống ATS căn cứ theo loại khí cụ điện động lực đóng
cắt, ta có 3 loại chính:
 ATS dùng contactor 3 cực hay 4 cực
 ATS dùng loại Change over switch hay Motorized CB
 ATS dùng ACB (máy cắt không khí)
1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm:
 a. ATS dùng contactor:
 Ưu điểm: giá thành thấp, kết cấu gọn nhẹ và dễ dàng điều khiển.
 Nhược điểm: gây tổn hao công suất và phải cấp điện để duy trì
trạng thái đóng tiếp điểm.
 b. ATS dùng CB:
 Ưu điểm: ít gây tổn hao và không cần nguồn điện duy trì trạng thái
đóng tiếp điểm.
 Nhược điểm: cơ cấu phức tạp hơn và thời gian tác động lâu hơn khi
dùng contactor.
2
 Ngoài ra, có thể tạo thêm các mạch điện phục vụ giám sát hoặc cảnh
báo các trạng thái như: lỗi khởi động; nhiệt độ nước làm mát cao; dung lượng ắc
quy thấp; mức nhiên liệu thấp; tắc lọc gió;…
1.1.4 Chức năng hoạt động của tủ ATS:
Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ATS
Hình trên bao gồm các khối chức năng mô tả hoạt động của toàn bộ hệ
thống ATS,với nguồn điện dự phòng là acquy.
Trong đó:
- Mains CTT và Gen CTT: có chức năng đóng nguồn điện lưới hoặc máy
phát.
- Khối MC(Mains Contactor) và khối GC(Gen Contactor) là hai thiết bị
đóng/cắt nguồn có thể là độc lập hoặc được tích hợp thành một khối, có chức
năng tự động chuyển đổi nguồn từ nguồn điện lưới sang nguồn điện acquy và
ngược lại.
3
- Control Unit là khối điều khiển kỹ thuật số, có vai trò quyết định đến
chất lượng của việc tự động chuyển đổi nguồn của hệ thống ATS.
- Inter. Rơle Unit là khối rơle trung gian có chức năng tăng công suất tín
hiệu điều khiển; cách ly điện giữa các phần tử chấp hành và khối Control Unit.
1.2. Giới thiệu về các bộ kích điện (Inverter) trong hệ thống ATS:
1.2.1 Chức năng của Inverter:
“Thiết bị Inverter (hay bộ kích điện) là nguồn không ngắt quãng. Chức
năng của thiết bị này chuyển đổi nguồn điện từ điện 1 chiều (ắc quy) sang điện
áp xoay chiều ( 220v AC) với thời gian chuyển đổi rất nhỏ cỡ ms ( mili giây)
hoặc xấp xỉ bằng 0 trong trường hợp mất điện lưới.
Nếu ta không tính đến công suất đầu ra thì thời gian lưu điện được phụ
thuộc vào 2 yếu tố sau: dung lượng của bình ắc quy và điện áp đầu vào của bình
ắc quy. Điện áp càng cao thì thời gian và công suất tải càng cao.”
Hình 1.2: Sơ đồ bên trong của biến tần Inverter
-Chức năng từng khối:
Chỉnh lưu: chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều đưa vào
nạp acquy rồi đưa tới bộ nghịch lưu.
Nghịch lưu: Biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều với tần số
f=50Hz cấp cho tải.
Bộ lọc DC: Nhằm nâng cao chất lượng điện áp ra ở bộ nghịch lưu bằng
cách san phẳng điện áp 1 chiều từ đầu ra của bộ chỉnh lưu.
4
-Ứng dụng của Inverter:
Hiện nay trên thế giới, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp,
cũng như trong sản xuất. Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển, Biến Tần (Inverter)
còn có nhiều chức năng khác nhau trong các lĩnh vực của cuộc sống. Ngoài ra,
việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế cao và giúp tiết kiệm điện
năng.
Hiện nay có rất nhiều loại biến tần: Loại 1 pha, 3 pha và có nhiều dải
công suất khác nhau.
1.2.2 Ưu điểm và ứng dụng của Inverter
“Biến tần (Inverter) đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù
hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Biến tần có tích hợp cả bộ điều khiển vi
tích phân tỉ lệ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù
hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống quản lý và giám sát điện
năng SCADA.
Ngoài ra, biến tần là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho sản xuất
khi mất điện lưới, cũng như để hoạt động các động cơ điện.”
Hình 1.3: Sơ đồ chi tiết mạch điện của Inverter
5
1.2.3 Nguyên lý hoạt động:
Nguồn điện lưới (nguồn điện xoay chiều) được chỉnh lưu và lọc thành
nguồn 1 chiều nhờ tụ điện và bộ chỉnh lưu cầu.
Do vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần có giá trị nhỏ nhất min=
0.96 và không phụ thuộc vào tải . Điện áp một chiều này được nghịch lưu thành
điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng và được thực hiện thông qua hệ transistor
lưỡng cực có cổng cách ly (IGBT), bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
(PWM).
1.3. Họ vi điều khiển AVR
1.3.1 Tìm hiểu về cấu tạo bên trong AVR
So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính nổi
trội hơn hẳn, đặc biệt là về các chức năng như :
- Không cần mắc thêm thiết bị hay linh kiên nào phụ trợ khi sử dụng
- Nạp chương trình cho AVR đơn giản
- Đa dạng chương trình lập trình, tương thích với ngôn ngữ lập trình C
- Có thể tra cứu dễ dàng từ các nguồn tài nguyên như trên: sách, internet...
 Các tính năng của dòng chip AVR:
 Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock
nội lên đến 8 MHz (sai số 3%)
 Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung
lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình
được EEPROM.
 Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional).
 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.
 Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.
 Một số loại chip AVR phổ biến:
 ATmega8
 ATmega16
 ATmega32
6
 ATmega64
 Atmega128
 ATtiny10
 ATtiny11 và ATtiny12
 Các trình biên dịch hay sử dụng:
 Wavrasm
 WinAVR hay avr-gcc
 CodeVisionAvr
 ICCAVR
 BascomAVR
1.3.2 Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc của AVR
1.Giới thiệu
 Sơ đồ khối
Hình 1.4– Sơ đồ khối tổng quan cấu trúc của AVR
7
Sơ đồ trên biểu diễn cấu trong bên trong của 1 AVR. Ta thấy rằng 32
thanh ghi trong Register File được kết nối trực tiếp với Arithmetic Logic Unit
-ALU (ALU cũng được xem là CPU của AVR) bằng 2 line, vì thế ALU có thể
truy xuất trực tiếp cùng lúc 2 thanh ghi RF chỉ trong 1 chu kỳ xung clock.
2. Các thành phần của dòng chip AVR
 Đơn vị số học ALU
Đơn vị thực thi cao ALU của dòng chip AVR hoạt động theo hướng kết
nối trực tiếp tất cả 32 thanh ghi đa năng.
Tổ chức ALU được chia thành ba mục chính: toán học, logic, chức năng
bit.
 Thanh ghi trạng thái (Status Register)
Thanh ghi này là một trong số các thanh ghi quan trọng nhất của AVR.
Thanh ghi SREG chứa 8 bit cờ (flag) chỉ trạng thái của bộ xử lí, cấu trúc thanh
ghi như sau:
Hình 1.5 – Cấu trúc thanh ghi
 Bit 0 – C (Carry Flag: Cờ nhớ)
 Bit 1 – Z (Zero Flag: Cờ 0)
 Bit 2 – N (Negative Flag: Cờ âm):
 Bit 3 – V (Two’s complement Overflow Flag: Cờ tràn của bù 2)
 Bit 4 – S (Sign Bit: Bit dấu)
 Bit 5 – H (Half Carry Flag: Cờ nhớ nữa)
 Bit 6 – T (Bit Copy Storage)
 Bit 7 – I (Global Interrupt Enable)
1.3.3 Cấu trúc bộ nhớ
8
Hình 1.6– Cấu trúc bộ nhớ của AVR
Trong đó:
 Bộ nhớ chương trình (Program memory)
 Bộ nhớ dữ liệu SRAM
 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM
 Bộ nhớ vào/ra
 Ngăn xếp (stack)
1.4 Các thiết bị và linh kiện hỗ trợ
1.4.1 Đèn báo
Hình 1.7- đèn báo
1.4.2. nút emergency stop
9
Hình 1.8- Emergency stop button
1.4.3 công tắc chuyển mạch 3 pha
Hình 1.9- công tắc chuyển mạch 3 pha
1.4.4 công tắc tơ
Hình 1.10- công tắc tơ
1.4.5 ắc quy
10
Hình 1.11-ắc quy
1.4.6. Các linh kiện hỗ trợ
 Tụ gốm
Hình 1.12 - Tụ gốm
 Tụ hóa
Hình 1.13- Tụ hóa
 Điêṇ trơ
11
Hình 1.14- Điện trở
 LED đơn
Các loại LED Cấu tạo và kí hiêụ
Hình 1.15- Đèn LED
 Button (nút bấm)
Hình 1.16 – Nút bấm
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO MẠCH
2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch Inverter
12
Nguồn nuôi Mạch vi điều khiển
Khuếch đại xung
50Hz
Tín hiệu Sin
Hình 2.1- Sơ đồ khối của bộ kích xung (Inverter)
 Nhiệm vụ của từng khối:
- Nguồn nuôi: nguồn +5v để nuôi vi điều khiển.
- Mạch vi điều khiển: điều khiển toàn bộ hệ thống
- Khuếch đại xung 50Hz: tạo ra xung vuông có tần số 50Hz
 Nguyên tắc hoạt động:
Trong tủ điện có 2 khối : khối ATS và khối INVERTER
Khi cấp nguồn cho tủ điện ,vi điều khiển sẽ được cấp nguồn +5v. Khi
có lệnh từ khối ATS các rơ le đóng lại, thì lập tức vi điều khiển sẽ tự động
tạo ra xung vuông với tần số 50Hz. Các xung vuông này được đưa qua bộ
lọc sẽ được tần số sóng sin 50Hz.
2.2 Phân tích từng khối trong mạch nguyên lý
 Khối tín hiệu đầu vào
13