PWM Pulse width modulation DC Direct Current AC Alterating Current TC1 TimerCouter 1 VĐK Vi điều khiển WGM Waveform Generating Mode TCR1 TimerCouter Register TCCR1 TimerCouter Control Register 1 OCR1 Output Compare Register TIMSK TimerCouter Interrupt Mask Register
GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU
Bộ nghịch lưu chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều với tần số thay đổi, phục vụ cho tải xoay chiều Đầu ra của bộ nghịch lưu có thể điều khiển điện áp hoặc dòng điện, dẫn đến hai loại: bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng Nguồn một chiều cho bộ nghịch lưu áp mang tính chất nguồn điện áp, trong khi nguồn cho bộ nghịch lưu dòng là nguồn dòng điện Các bộ nghịch lưu này được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng Khi nguồn điện đầu vào và đại lượng đầu ra không giống nhau, ví dụ như cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, chúng được gọi là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Bộ nghịch lưu là thành phần chính trong cấu tạo của bộ biến tần, thường sử dụng nguồn điện một chiều như điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn độc lập khác Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cung cấp điện từ acquy, hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng và luyện kim Đặc biệt, bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong các ứng dụng tần số cao, chúng được sử dụng trong thiết bị lò cảm ứng trung tần và thiết bị hàn trung tần Ngoài ra, bộ nghịch lưu còn được sử dụng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng và bù nhuyễn công suất phản kháng Điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu phụ thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng.
- 12 VDC: cho các bộ nghịch lưu nhỏ và đặc biệt hoạt động từ các bộ sạc 12V từ pin axit hay hoặc ổ cắm điện trên ôtô
- 24, 36 và 48 VDC: tiêu chuẩn chung cho các hệ thống năng lượng trong nhà
- 200 đến 400 VDC: điện năng đến từ các tấm pin năng lượng mặt trời
- 300 đến 450 VDC: từ các bộ pin xe điện trong các hệ thống lưới xe điện
Bộ nghịch lưu là một phần quan trọng trong hệ thống truyền tải điện năng một chiều điện áp cao, với điện áp từ hàng chục đến hàng trăm ngàn Volt Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ nghịch lưu thường được điều chỉnh để phù hợp với điện áp lưới, thường là 120 hoặc 240 VAC, giúp bộ nghịch lưu tương thích với nhiều thiết bị được thiết kế cho các đường dây điện chuẩn.
Ta đưa ra thông số và yêu cầu bộ nghịch lưu cần thiết kế như sau:
- Nguồn cấp là Acquy: 12VDC/7Ah
- Điện áp đầu ra: 220VAC/50Hz
Với nguồn cấp là Acquy nên ta sử dụng mạch nghịch lưu độc lập
Như vậy ta có ba sự chọn lựa: nghịch lưu độc lập nguồn áp, nguồn dòng và cộng hưởng
Mạch nghịch lưu độc lập dòng điện được cấp từ nguồn dòng, ở đây ta sử dụng nguồn cấp là acquy nên không phù hợp
Mạch nghịch lưu độc lập cộng hưởng tạo ra điện áp ra gần giống dạng sóng sin, nhưng không phù hợp cho thiết kế mạch ở tần số lớn từ 500Hz trở lên.
Như vậy ta sử dụng mạch nghịch lưu độc lập nguồn áp, có hai lựa chọn:
- Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha
- Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha sau đó lấy một pha để sử dụng
Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có dạng sóng hình sin tốt hơn so với nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha, nhưng trong nhiều trường hợp, việc sử dụng nghịch lưu ba pha không cần thiết do chi phí cao và độ phức tạp trong điều khiển Thay vào đó, việc sử dụng nghịch lưu một pha dạng bán cầu (Half Bridge) với các thông số và yêu cầu cụ thể là đủ để đáp ứng nhu cầu ban đầu mà không tốn kém.
Bộ biến đổi DC/AC sẽ gồm hai thành phần chính như sau :
- Mạch điều khiển: Có nhiệm vụ phát xung vuông dao động với tần số 50Hz cấp xung mở cho transitor, transitor dẫn sẽ làm cho IGBT dẫn
- Mạch lực bộ nghịch lưu một pha :có nhiệm vụ đẩy kéo điện áp 12VDC lên 220VAC tần số 50Hz.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP DẠNG BÁN CẦU
Bộ nghịch lưu áp
2.1.1 Những đặc điểm cơ bản
Bộ nghịch lưu áp có chức năng cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều đầu ra từ nguồn điện áp một chiều như ắc quy, pin điện, hoặc điện áp đã được chỉnh lưu và lọc phẳng.
Linh kiện: BJT, MOSFET (công suất nhỏ) IGBT, GTO hoặc SCR kết hợp bộ chuyển mạch (công suất lớn)
Mỗi khoá công suất được kết nối với một diode công suất nhằm hỗ trợ quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, từ đó giảm thiểu quá điện áp khi kích ngắt các khoá công suất Mặc dù điện áp ra lý tưởng nên có dạng sóng sin, nhưng thực tế thường chứa các sóng hài bậc cao, gây ảnh hưởng xấu đến tải và nguồn Do đó, cần áp dụng các biện pháp chống nhiễu như sử dụng bộ lọc, đặt bộ nghịch lưu trong tủ kim loại, hoặc sử dụng cáp bọc.
Trong đồ án này, chúng tôi không áp dụng các phương pháp điều khiển như PWM, PWM sin hay Vector không gian để loại bỏ thành phần hài bậc cao, mà chỉ sử dụng bộ lọc LC nhằm giảm thiểu nhiễu.
Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau Ta có thể phân loại theo:
- Theo số pha điện áp đầu ra: 1 pha, 3 pha
Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch, điện áp có thể được phân loại thành hai bậc (two level) hoặc đa bậc (multi-level), với đa bậc bắt đầu từ 3 bậc trở lên.
The configuration of inverters includes various types such as cascade inverters, Neutral Point Clamped (NPC) multilevel inverters, and Flying Capacitor multilevel inverters, each offering distinct advantages for different applications.
Trong lĩnh vực điều khiển, có nhiều phương pháp quan trọng như phương pháp điều rộng, điều biên, điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), điều chế độ rộng xung sin cải biến (Modified SPWM), điều chế vector không gian (Space Vector Modulation hoặc Space Vector PWM), và phương pháp Discontinuous PWM Những phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng tín hiệu trong các hệ thống điện.
Bộ nghịch lưu dạng bán cầu (Half brigde)
2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lí
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí mạch Half Bridge
Hình 2.1 là mạch nguyên lí Half-bridge Mạch bao gồm 2 thiết bị chuyển mạch
Hai tụ điện C1 và C2 có giá trị giống nhau được kết nối với nguồn DC, tạo ra hai nguồn điện bằng nhau với giá trị V_s/2 cho mỗi tụ Các diode D1 và D2 mắc song song với hai tải Q1 và Q2, tạo điểm trung gian để kết nối đường trở lại của tải.
Giá trị của tụ điện phải đủ lớn để điện thế tại 2 cực dương mỗi tụ là +Vs/2 , và 2 cực âm là –V s /2 , điện thế tại 0 luôn bằng 0
Trong đồ án này, tải là tải trở , ta xét nguyên lí hoạt động của mạch Half Bridge
Tại thời điểm t = 0, Q1 mở và Q2 đóng, dòng điện chảy từ cực dương của nguồn Vs qua Q1, tiếp theo là tải và cuối cùng qua C2 về cực âm của nguồn, tạo ra điện áp trên tải bằng Vs/2 Khi đến thời điểm t = T/2, Q1 đóng và Q2 mở, đánh dấu sự kết thúc của nửa chu kỳ đầu.
Hình 2.2 Chiều dòng điện chạy trong mạch nửa chu kỳ đầu
Tại thời điểm t = T/2, Q1 đóng và Q2 mở, dòng điện chạy từ cực dương của nguồn Vs qua tụ C1, sau đó đi qua tải và trở về cực âm của nguồn Vs Lúc này, điện áp trên tải bằng -Vs/2 Khi t = T, Q2 đóng và Q1 mở, đánh dấu sự kết thúc của nửa chu kỳ.
Hình 2.3 Chiều dòng điện chạy trong mạch nửa chu kỳ sau
Hình 2.4 Giản đồ điện áp đầu ra trong 1 chu kỳ
GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA8
Giới thiệu về vi điều khiển Atmega8
Vi điều khiển Atmega8 là một vi điều khiển 8 bit công suất thấp của Atmel, được thiết kế theo kiến trúc RISC với tần số hoạt động 16 MHz Nó tích hợp đầy đủ các thành phần ngoại vi như Timer, Counter, Real Time, PWM, ADC, USART, SPI, và bộ so sánh on-chip, cùng với khả năng cảm ứng điện dung.
Hình 3.1 Vi điều khiển Atmega8
- Tần số hoạt động : 16 Mhz
- Bộ nhớ : 8 Kb Flash, 512 Bytes EEPROM, 1 Kb SRAM
- Timer/Counter : 2 bộ – 8 bit, 1 bộ – 16 bit
- Bộ so sánh analog on chip : 1 bộ
- Giao diện kết nối : SPI, USART, 2-Wire
- Kiểu chân : PDIP28, TQFP32, QFN/MLF32 Ứng dụng:
Hình 3.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega8
Điều khiển PWM
PWM (Pulse Width Modulation) hay còn gọi là "xung điều rộng" là một khái niệm liên quan đến tín hiệu xung, trong đó chu kỳ (Time period) của tín hiệu được giữ cố định, trong khi đó duty cycle (thời gian tín hiệu ở mức HIGH) có thể thay đổi.
Chức năng PWM của Atmega8 được thực hiện nhờ các timer 0, 1, 2 với timer 0 và 2 sẽ là thanh ghi 8 bits, timer 1 là 16 bits đầu ra của các chân
Các thanh ghi liên quan tới T/C1
TCNT1H và TCNT1L là hai thanh ghi 8 bit kết hợp thành thanh ghi 16 bit TCNT1, lưu trữ giá trị vận hành của Timer/Counter 1 (T/C1) Cả hai thanh ghi cho phép người dùng đọc và ghi giá trị trực tiếp.
Hình 3.4 Hai thanh ghi TCNT1H và TCNT1L
TCCR1A và TCCR1B là hai thanh ghi điều khiển hoạt động của Timer/Counter 1 (T/C1), xác định tất cả các chế độ hoạt động thông qua các bit trong chúng Hai thanh ghi này hoàn toàn độc lập, không phải là hai byte cao và thấp của một thanh ghi Các bit trong TCCR1A và TCCR1B bao gồm bit chọn chế độ (Waveform Generating Mode - WGM), bit quy định dạng ngõ ra (Compare Output Match - COM), và bit chọn giá trị chia prescaler cho xung nhịp (Clock Select - CS) Cấu trúc của hai thanh ghi này được trình bày chi tiết trong tài liệu liên quan.
OCR1A và OCR1B (Thanh ghi so sánh đầu ra A và B) hoạt động song song với thanh ghi TCNT1 trong quá trình hoạt động của bộ đếm thời gian (T/C) Giá trị của TCNT1 được so sánh liên tục với các giá trị trong OCR1A và OCR1B, và khi chúng bằng nhau, một sự kiện "Match" xảy ra, dẫn đến việc kích hoạt ngắt hoặc thay đổi trạng thái trên chân OC1A và OC1B Quá trình này là cách mà T/C1 tạo ra tín hiệu PWM hiệu quả.
Hình 3.6 Hai thanh ghi OCR1A và OCR1B
ICR1 (Input Capture Register 1) là một khái niệm quan trọng trong T/C1, cho phép ghi lại giá trị của thanh ghi đếm TCNT1 khi có sự kiện xảy ra trên chân ICP1 (chân 14 của Atmega8) Khi sự kiện này xảy ra, thanh ghi ICR1 sẽ "capture" giá trị và có thể kích hoạt một ngắt, từ đó Input Capture có thể được sử dụng để cập nhật giá trị "TOP" của T/C1.
TIMSK (Thanh ghi mặt nạ ngắt Timer/Counter) trên AVR được sử dụng chung cho các bộ Timer/Counter, với trọng tâm là các bit từ 2 đến 5 để quy định ngắt cho T/C1 T/C1 hỗ trợ 4 loại ngắt khác nhau, trong khi T/C0 chỉ có 1 loại ngắt tràn.
Bit 2 trong TIMSK là TOIE1, bit quy định ngắt tràn cho thanh T/C1 (tương tự trường hợp của T/C0)
Bit 3, OCIE1B là bit cho phép ngắt khi có 1 “Match” xảy ra trong việc so sánh TCNT1 với OCR1B
Bit 4, OCIE1A là bit cho phép ngắt khi có 1 “Match” xảy ra trong việc so sánh TCNT1 với OCR1A
Bit 5, TICIE1 là bit cho phép ngắt trong trường hợp Input Capture được dùng
TIFR (Thanh ghi cờ nhớ cho bộ đếm/ bộ đếm ngắt) là thanh ghi lưu trữ trạng thái cho tất cả các bộ T/C Trong thanh ghi này, các bit từ 2 đến 5 đại diện cho các cờ trạng thái của T/C1.
Trên T/C1 có tất cả 5 chế độ hoạt động Trong đề tài này chúng ta sử dụng T/C1 ở chế độ Phase correct PWM (PWM với pha chính xác)
Bảng 3.1: Các bit WGM và các chế độ hoạt động của T/C1
Chế độ Phase correct PWM
Phase correct PWM cung cấp chế độ tạo xung với độ phân giải cao, bao gồm năm mode hoạt động: 1, 2, 3, 10, và 11 Trong đồ án này, chúng ta chọn mode 10 để thực hiện điều khiển Ở mode này, thanh ghi TCR1 lưu trữ giá trị TOP, trong khi OCR1A (hoặc OCR1B) chứa giá trị so sánh Thanh ghi TCNT1 sẽ tăng từ giá trị đã định.
Khi giá trị của thanh ghi TCNT1 bằng giá trị OCR1A, chân OC1A sẽ chuyển xuống mức thấp Thanh ghi TCNT1 sẽ tiếp tục đếm đến giá trị TOP và sau đó sẽ đếm ngược về 0 Khi TCNT1 giảm và đạt giá trị OCR1A lần thứ hai, chân OC1A sẽ trở lại mức cao Quá trình này kết thúc khi TCNT1 giảm về 0, hoàn thành một chu kỳ.
-Hình 3.9 Nguyên lí điều khiển chế độ Phase correct PWM
THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƯU DẠNG BÁN CẦU
Thiết kế phần cứng
4.1.2 Mạch nguồn nuôi vi điều khiển
Hình 4.2 Mạch nguồn nuôi vi điều khiển
Các tụ C1 và C3 là tụ phân cực giúp lọc phẳng điện áp trước khi cấp cho thiết bị, trong khi điện trở R1 điều chỉnh dòng điện để bảo vệ đèn LED khỏi quá dòng Tụ ceramic C2 và C4 được sử dụng để lọc nhiễu IC 7805 cung cấp nguồn cho vi xử lý thông qua chân 3 đầu ra.
Vi xử lý không thể kích xung trực tiếp cho mosfet, mà cần thông qua mạch kích, trong đó sử dụng opto TLP 250 để kích mosfet Nguồn nuôi cho opto được cấp từ ắc quy qua chân 8 (VCC) Hai điện trở R41 và R42 có nhiệm vụ bảo vệ quá dòng cho thiết bị và loại bỏ hiện tượng trôi nổi điện áp Xung PWM từ vi xử lý được đưa vào chân 2 của opto, và xung PWM đầu ra kích mosfet ở chân 6 Chân 3 và chân 5 được nối đất.
Vi xử lí được cấp nguồn từ ắc quy thông qua IC 7805 Trong mạch này 2 tụ C 5 và
C6 là hai tụ Ceramic có chức năng lọc nhiễu tín hiệu, trong khi Q3 là thạch anh tạo dao động cho vi xử lý thông qua các chân B6 và B7 Tụ C7 và L2 cũng được sử dụng để lọc nhiễu cho vi xử lý, kết nối qua chân 22 (GND) Hai chân xuất xung PWM là OC1A và OC1B (15, 16) được nối với điện trở vào chân 2 của OPTO để kích xung đóng mở mosfet Ngoài ra, các chân 17 (MISO), 18 (MOSI), SCK (19) và chân 1 (RESET) được kết nối với mạch nạp code cho chip Atmega8.
Hình 4.4 Mạch vi điều khiển
Tính chọn các linh kiện
- Tính dòng chạy trong mạch động lực: p s s p
- Tụ C 31 ,C 33 : ta chọn tụ loại tụ hóa phân cực C 31 C 33 4700μF / 50V
- Chọn tụ Ceramic: f s 20 kHz, I o 1A,V in 12 VDC,V out 6 VAC, 90%
với D là độ rộng xung min 3 3 max
Ta chọn tụ ceramic loại có điện dung 0.1uF, điện áp U 50V, nhiệt độ làm việc từ -25 0 C đến 85 0 C
Với V s 12VDC I, 1 ,A f s 20kHz nên ta chọn MOSFET loại DFQ10N60 có thông số: I DS max 12VDC V, DS max 600V, R DSon 0.73 , V GS 10V.
- Tính toán mạch lọc thông thấp LC: chỉ tiêu của bộ lọc là dòng điện thành phần hài chiếm 1% thành phần cơ bản và lọc sóng hài đến bậc n = 31
Tần số cắt f nf out 3 1 50 1550Hz
Tính sụt áp cho phép trên điện cảm ở tần số cơ bản
Chọn sụt áp V L 1V và I L I load
- Kích mosfet: Sử dụng TLP250 kích cho 2 mosfet Q1 và Q2 xung PWM có thông số: Nguồn cung cấp (Vcc): 10 - 35V
Dòng ra lớn nhất (Io): ±1.5A (max.)
Nguồn dòng cung cấp (Icc): 11mA (max.)
Dòng ngưỡng vào: IF 5mA(max) Điện áp cách li: 2500Vrms (min.)
-Tính chọn máy biến áp : Điện áp đầu vào MBA: V in V ao V Q V L
∆V Q : Tổn thất điện áp trên mosfet
∆VL : Tổn thất điện áp trên cuộn dây
Khi thiết lập mạch thực tế, tổn thất điện áp trên các thiết bị thường lớn hơn, và máy biến áp cũng gặp phải tổn thất Do đó, chúng ta chọn điện áp vào là V in = 80% × 4.4 3.2V.
- Điện áp ngõ ra MBA : V out 220VAC
-Ta chọn MBA có thông số sau : in 3V
Thiết kế phần mềm
Tạo sóng sin fsin = 50Hz
Tạo sóng tam giác ftg = 20kHz
Asin ≥ Atg So sánh biên độ
#include unsigned bangsin[200] {0,3,6,9,13,16,19,22,25,28,31,34,37,40,43,45,48,51,54,56,59,61,64,66,68,71,73,75,77, 79,81,83,84,86,88,89,90,92,93,94,95,96,97,98,98,99,99,100,100,100,100,100,100,100, 99,99,98,98,97,96,95,94,93,92,91,89,88,86,84,83,81,79,77,75,73,71,69,66,64,61,59,56 ,54,51,48,46,43,40,37,34,31,28,25,22,19,16,13,10,6,3,0,-3,-6,-9,-12,-15,-19,-22,-25,- 28,-31,-34,-37,-40,-42,-45,-48,-51,-53,-56,-59,-61,-64,-66,-68,-71,-73,-75,-77,-79,-81,- 83,-84,-86,-88,-89,-90,-92,-93,-94,-95,-96,-97,-98,-98,-99,-99,-100,-100,-100,-100,- 100,-100,-100,-99,-99,-98,-98,-97,-96,-95,-94,-93,-92,-91,-89,-88,-86,-85,-83,-81,-79,- 77,-75,-73,-71,-69,-66,-64,-62,-59,-56,-54,-51,-48,-46,-43,-40,-37,-34,-31,-28,-25,-22,- 19,-16,-13,-10,-7,-3}; int sin; int i=0; int k=0;
// Declare your global variables here void main(void)
// Declare your local variables here
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=T
// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
// Mode: Phase correct PWM top=ICR1
// Input Capture on Falling Edge
TCNT1 0; // set tần số sóng mang f-tam giác @kHz
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
{ sin0+bangsin[i]; if(sin>TCNT1)
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
Kết quả mô phỏng
5.1.1 Mô phỏng bằng phần mềm PSIM
Hình 5.4 Điện áp ngõ ra trước khi qua lọc
Hình 5.5 Điện áp ngõ ra trước khi qua bộ lọc
5.1.2 Mô phỏng bằng phần mềm Proteus
Hình 5.7 Xung PWM đầu ra VĐK
Hình 5.8 Điện áp ngõ ra V o
Kết quả thí nghiệm thực tế
Hình 5.9 : Mô hình thực tế
Hình 5.11 Dạng sóng điện áp đầu ra
Hình 5.12 Dạng sóng điện áp đầu ra
Hình 5.13 Kết quả đo giá trị áp đầu ra
Kết quả đo đạc bằng oscilloscope cho thấy điện áp ra chưa đạt chuẩn hình sin, tần số ngõ ra f đúng theo yêu cầu là f PHz, tuy nhiên biên độ điện áp còn thấp so với thiết kế.
Kết quả thực tế khi làm mạch sai lệch với kết quả mô phỏng do các yếu tố :
Tín hiệu áp đầu ra bị nhiễu do mạch lọc không đạt yêu cầu Trong quá trình thi công, các linh kiện như tụ lọc xoay chiều chỉ có loại 0.47uF và cuộn cảm tối đa 330uH, dẫn đến mạch lọc không thể đáp ứng các thông số thiết kế và không lọc tốt sóng hài.
- Tổn thất trên các linh kiện là lớn hơn so với thông số nhà sản xuất dẫn tới hiện tượng sụt áp ở ngõ ra
- Lần đầu nhóm làm mạch nên kỹ thuật gia công chưa được chuẩn