Thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng vi điều khiển giao tiếp với máy tính

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Hiện nay, hầu hết thiết bị điện tử sử dụng nguồn điện một chiều, do đó bộ chỉnh lưu trở thành phần quan trọng trong việc chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển là một ví dụ điển hình, sử dụng linh kiện điện tử công suất bán dẫn phổ biến để thực hiện chức năng này.

Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển đóng vai trò quan trọng trong điện tử công suất và ngành điện tử công nghiệp Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và điện năng trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam.

Trong quá trình nghiên cứu đề tài tốt nghiệp trước đây về "Đồng bộ SCR bằng vi xử lý", nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc đồng bộ các tín hiệu điều khiển SCR cho nhiều loại bộ chỉnh lưu như cầu 3 pha và tia 6 pha Tuy nhiên, họ chưa thực hiện thành công mạch Để cải tiến, em đã thiết kế bộ chỉnh lưu tia 3 pha sử dụng vi điều khiển PIC16F887, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi góc kích từ chương trình Qua giao diện máy tính, người dùng có thể quan sát các thông số điện áp và góc kích một cách dễ dàng, mang lại kết quả gần chính xác và tiết kiệm chi phí Hạn chế của đề tài này là chỉ điều khiển mạch chỉnh lưu tia 3 pha, nhưng có thể mở rộng để điều khiển nhiều loại mạch chỉnh lưu khác như cầu 3 pha và tia 6 pha.

Mục tiêu

Hoàn thành mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển bằng vi điều khiển PIC16F887, chương trình được phát triển để điều khiển góc kích và đo điện áp hồi tiếp Mục tiêu chính là tạo ra mức điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh, đồng thời phát triển giao diện điều khiển trên máy tính, cho phép người dùng theo dõi và quản lý các thông số điện áp và góc kích một cách hiệu quả.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2

Nội dung nghiên cứu

Những công việc chính cần tập trung trong đề tài này:

 NỘI DUNG 1: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển, mạch điều khiển dùng vi xử lí PIC16F887, mạch đồng bộ, mạch cách li

 NỘI DUNG 2: Lập lưu đồ giải thuật, viết chương trình cho vi điều khiển để điều khiển góc kích cho mạch chỉnh lưu

 NỘI DUNG 3: Lập lưu đồ giải thuật, viết chương trình bằng Visual Basic 2010 Đo điện áp trên mạch, giao tiếp với vi điều khiển

 NỘI DUNG 4: Thiết kế giao diện dùng Visual Basic 2010

 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện

 NỘI DUNG 6: Viết báo cáo đồ án.

Giới hạn

Đề tài này tập trung vào việc điều khiển và chỉnh lưu mức điện áp ngõ ra trung bình từ 0V-257,5VDC bằng vi điều khiển PIC16F887 Vi điều khiển này đóng vai trò xử lý trong mạch điều khiển phát xung kích cho các SCR và điều chỉnh áp ngõ ra trên tải trong mạch công suất Mạch sử dụng điện áp 3 pha 220/380VAC với các pha nối hình sao, trong đó điện áp mỗi pha là 220VAC, do đó cần sử dụng các opto quang PC817 để đảm bảo cách ly an toàn.

Mô hình thiết bị nhỏ gọn với kích thước 30 x 30 x 12cm, được bảo vệ bởi các miếng mica chống va chạm và hoạt động với điện áp 220/330VAC Để bảo vệ mạch khỏi sự cố từ nguồn 3 pha, thiết bị sử dụng 4 cầu chì 5A Tải kiểm tra bao gồm động cơ DC với thông số 0V-220V, công suất 100W và 2 tải đèn 220V-40W Phần giao tiếp cung cấp 2 phương thức điều khiển: điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh bằng máy, với các thông số chính là điện áp và góc kích tương ứng.

Bố cục

Chương 1: Tổng Quan giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính, các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3

Chương này làm rõ các khái niệm cơ bản, cấu tạo chi tiết phần cứng, phần mềm, nguyên lí hoạt động và cách sử dụng

Chương 3 của bài viết tập trung vào vật liệu, thiết kế và tính toán, trình bày danh sách các phần cứng sử dụng trong đồ án Chương này cũng bao gồm các tính toán và thiết kế chi tiết cho từng phần, kèm theo hình ảnh, bảng biểu và dẫn chứng cụ thể để minh họa.

Chương 4: Thi công hệ thống trình bày quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm, bao gồm các yêu cầu về thuật toán, sơ đồ khối và lưu đồ.

Chương 5: Kết quả và thảo luận trình bày những kết quả đã đạt được cũng như những kết quả chưa đạt được trong quá trình nghiên cứu và thiết kế sản phẩm Chương này cũng thảo luận sâu về các quy trình nghiên cứu liên quan, giúp hiểu rõ hơn về những thách thức và thành công trong quá trình phát triển sản phẩm.

Chương 6: Kết luận tập trung vào việc đánh giá và nhận xét về kết quả đã đạt được, đồng thời liệt kê những hạn chế hiện tại và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu phần cứng

Các thiết bị, linh kiện mà đề tài sẽ sử dụng và được phân loại như sau:

Thiết bị đầu vào: Bàn phím, biến trở ngoài

Thiết bị đầu ra: Tải động cơ DC, led đơn, opto PC817, transistor A1013, SCR

Thiết bị điều khiển trung tâm: Vi điều khiển, máy tính

Chuẩn dữ liệu truyền nhận: UART

Phần mềm thiết kế giao diện điều khiển: Visual basic 2010

Thiết bị giao diện điều khiển: Máy tính

Hình 2.1 Hệ thống vi xử lí

Bộ nhớ lưu trữ chương trình và dữ liệu cần xử lý cho vi xử lý, đồng thời quản lý các cổng nhập và xuất dữ liệu Những khối này kết nối với nhau để hình thành một hệ thống vi xử lý hoàn chỉnh.

2.1.1a Cấu hình của vi điều khiển PIC16F887

 Đặc điểm thực thi tốc độ cao của CPU (Reduced Instruction Set Computer-máy tính thực thi những tập lệnh đơn giản)

 Tốc độ hoạt động (xung clock có tần số 20Mhz, chu kỳ thực hiện lệnh là 200ns)

 Có 3 kiểu định địa chỉ: Trực tiếp, gián tiếp, tức thời

 35 chân I/O cho phép lựa chọn theo hướng độc lập

 Có bộ chuyển đổi tương tự số (14 bộ chuyển đổi với độ phân giả là 10bit)

 Có timer0 (8 bit hoạt động định thời, có bộ chia trước đếm xung ngoại có thể lập trình)

Timer1 là một bộ định thời 16 bit với khả năng lập trình bộ chia trước để đếm xung ngoại Nó có ngõ vào cho phép nhận tín hiệu từ bên ngoài, đồng thời tích hợp bộ dao động công suất thấp với tần số 35kHz.

 Có timer2 (8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kỳ, có bộ chia trước, chia sau)

Bảng 2.1 Tóm tắt cấu trúc của 5 loại PIC16F88X

Hình 2.2 Cấu hình của Vi điều khiển

 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F887

Hình 2.3 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887

 Timer0 có những đặc điểm sau:

 Có thể đọc và ghi giá trị của timer

 Có bộ chia trước 8 bit cho phép lập trình phần mềm, lựa chọn bộ chia trước

 Cho phép lựa chọn nguồn xung clock bên trong hoặc bên ngoài

 Phát sinh ngắt khi cờ tràn từ FFH đến 00H

 Cho phép lựa chọn tác động xung CK cạnh lên hoặc cạnh xuống

Khi giá trị trong thanh ghi MR0 tràn từ FFh về 00h, sẽ xảy ra ngắt và cờ TMR0IF sẽ được thiết lập thành 1 Ngắt này có thể bị ngăn chặn thông qua bit cho phép TMR0IE.

Trong chương trình sử dụng ngắt timer0, cần phải xóa cờ báo ngắt TMR0IF Theo datasheet, biến cho phép ngắt là T0IE và cờ báo ngắt là T0IF, nằm trong thanh ghi INTCON ở vị trí thứ 5 và thứ 2 Thanh ghi INTCON được lưu trữ trong vùng nhớ Ram tại địa chỉ 0xb0.

Để đếm xung ngoại, tín hiệu xung cần được đưa vào ngõ T0CKI, và việc đồng bộ hóa tín hiệu này với xung clock bên trong được thực hiện bằng cách lấy mẫu ngõ ra bộ chia tại các chu kỳ Q2 và Q4 của xung clock Điều này đảm bảo rằng T0CKI duy trì trạng thái mức cao ít nhất 2 TOSC và trạng thái mức thấp ít nhất 2 TOSC.

 Cú pháp: setup_timer_0(mode)

 Thông số: Mode có thể 1 trong 2 hằng số được định nghĩa trong thư viện device.h Các thông số gồm: RTCC_INERNAL, RTCC_EXT_H_TO_L, RTCC_DIV_2, RTCC_DIV_4…

 Chức năng: Định cấu hình cho timer0

 Có hiệu lực: Cho tất cả các vi điều khiền PIC

Timer1 là bộ định thời đếm 16 bit, gồm 2 thanh ghi 8 bit (TMR1H và TMR1L)- có thể đọc và ghi, 2 thanh ghi này có thể từ 000h đến FFFh

Khi bị tràn thì timer1 sẽ phát sinh ngắt, cờ báo ngắt TMRIF lên mức 1 Timer1 có bit cho phép cấm ngắt là TMRIE

Hình 2.5 Thanh ghi kết quả của Timer1

Khảo sát thanh ghi của Timer1:

 Bit 7: T1GINV (bit đảo cổng của timer1)

 Bằng 1 thì timer1 tích cực mức 1 (timer1 đếm khi cổng ở mức 1)

 Nếu bằng 0 thì timer1 tích cực mức 0 (timer1 đếm khi cổng ở mức 0)

 Bit 6: TMR1GE (bit cho phép mở cổng timer1)

 Nếu TMRON = 0 thì bit này sẽ không có tác dụng

 Nếu TMRON = 1 thì TMR1GE = 1 mở cổng của timer1 không tích cực hoặc TMR1GE = 0 thì timer1 mở

 Bit 5,4: T1CKPS1, T1CKPS2 là các bit lựa chọn bộ chia

 Bit 3: T1OSCEN là bit điều khiển cho phép bộ dao động timer1

 Nếu bằng 1 thì bộ dao động được phép

 Nếu bằng 0 thì tắt bộ dao động

 Bit 2: T1SYNC là bit điều khiển đồng bộ ngõ vào xung clock bên ngoài của timer1

 Khi TMR1CS = 1 thì T1SYNC = 1 không thể đồng bộ ngõ vào clock từ bên ngoài hoặc T1SYNC = 0 thì đồng bộ clock từ bên ngoài

 Kho TMR1CS = 0 thì bit này bỏ qua, timer1 dùng xung clock bên trong khi TMR1CS = 0

 Bit 1: TMR1CS là bit lựa chọn nguồn xung clock của timer1

 TMR1CS = 1 thì chọn nguồn xung clock từ bên ngoài ở chân RC0/T1OSO/T1KCI (cạnh lên)

 TMR1CS = 0 thì chọn xung nội bân trong (FOSC/4)

 Bit 0: TMR1ON là bit điều khiển timer1

 Nếu bằng 1 thì cho phép timer1 đếm

 Nếu bằng 0 thì ngừng đếm

Timer1 ở chế độ đếm xung ngoại: Nếu bit TMR1CS bằng 1 thì T1 hoạt động ở chế độ đếm xung ngoại Xung ngoại có 2 nguồn xung phụ thuộc vào bit T1OSCEN

Nếu bit T1OSCEN bằng 1 thì T1 đếm xung ngoại từ mạch dao động của T1 (xem hình h.2.7a)

Nếu bit T1OSCEN bằng 0 thì T1 đếm xung ngoại đưa đến ngõ vào T1CKI (xem hình h.2.7b)

Hình 2.7a T1 hoạt động đếm xung ngoại từ mạch dao động T1

Hình 2.7b T1 hoạt động đếm xung ngoại đưa đến ngõ vào T1CKI

Bộ dao động của timer1: Mạch giao động được tích hợp bên trong và tụ thạch anh nối giữa 2 chân T1OSI và T1OSO để tạo dao động

Hình 2.8 Kết nối thạch anh tạo dao động

Ta có bảng trình bày cách lựa chọn tụ cho bộ dao động LP của timer1

Bảng 2.2 Lựa chọn tần số và tụ tương ứng với timer1

Timer2 là timer 8 bit có bộ chia trước (prescaler) và có bộ chia sau (postscaler)

Timer2 được sử dụng để điều chế xung khi khối CCP hoạt động ở chế độ PWM Thanh ghi TMR2 có thể đọc/ghi và xóa khi bị reset

Xung nội (FOSC/4) qua bộ chia trước có hệ số chia: “1:1”, “1:4” hoặc “1:6” được lựa chọn bằng các bit điều khiển T2CKPS1:T2CKPS0

Thanh ghi PR2 là một thanh ghi chu kỳ 8 bit được sử dụng để so sánh Timer2 sẽ tăng giá trị từ 00h đến khi đạt giá trị lưu trong thanh ghi PR2, sau đó sẽ reset về 00h và tiếp tục lặp lại quá trình này.

PR2 là thanh ghi có thể đọc và ghi, khi hệ thống bị reset thì thanh ghi PR được khởi tạo giá trị FFH

 Bit 7: Chưa sử dụng, nếu đọc sẽ có giá trị là”0”

Bảng 2.3 Các bit lựa chọn ngõ ra của bộ chia sau của timer 2

 Bit 2: TMR2ON là bit điều khiển cho phép/cấm timer2

 Nếu bằng 1 thì cho phép timer2 đếm

 Nếu bằng 0 thì timer2 ngừng đếm

 Bit 1-0: T2CKPS1: T2CKPS0 là bit lựa chọn hệ số chia trước cho nguồn xung clock của timer2

Bộ chia trước và chia sau của timer2:

 Bộ đếm chia trước và chia sau sẽ bị xóa khi xảy ra một trong các sự kiện:

 Thực hiện ghi dữ liệu vào thanh ghi TMR2

 Thực hiện ghi dữ liệu vào thanh ghi T2CON

 Bất kì reset nào tác động

 TMR2 không bị xoa khi dữ liệu vào T2CON

Ngõ ra của TMR2 được nối tới khối SSP – tùy chọn tạo ra xung nhịp

2.1.1e ADC CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

Vi điều khiển PIC16F887A được trang bị bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) 10 bit với khả năng đa hợp 8 kênh, cho phép giao tiếp hiệu quả với các tín hiệu tương tự Mạch ADC này rất hữu ích trong việc kết nối với các cảm biến như cảm biến nhiệt độ LM35 và biến trở, phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Hình 2.10 Sơ đồ khối của ADC PIC16F887

Chức năng các thành phần:

 AN0 đến AN13 là 14 ngõ vào đến mạch đa hợp

 CHS (3:0): Là ngõ vào chọn kênh tương tự

 Tín hiệu chọn từ kênh tương tự sẽ được chuyển đến bộ chuyển đổi ADC

 2 ngõ vào Vref+, Vref- có chức năng thiết lập độ phân giải cho ADC

 Bit ADON cho phép ADC hoạt động, bằng 1 thì cho phép, bằng 0 thì không cho phép

 Kết quả chuyển đổi là số nhị phân 10 bit sẽ được lưu vào cặp thanh ghi là ADRESH và ADRESL

ADC có 14 kênh, nhưng chỉ có thể chuyển đổi một kênh tại mỗi thời điểm, phụ thuộc vào 4 bit chọn kênh CHS4:CHS0 Hai điện áp tham chiếu VSS và VDD nhận điện áp tham chiếu từ hai chân RA3 và RA2.

Trình tự thực hiện chuyển đổi ADC:

 Bước 1: Cấu hình cho port:

 Cấu hình cho các port ở chế độ ngõ vào tương tự

 Không được cấu hình cho các port ở chế độ xuất dữ liệu

 Bước 2: Cấu hình cho module ADC:

 Chọn xung clock cho chuyển đổi ADC

 Định cấu hình cho điện áp chuẩn

 Chọn kênh ngõ vào tương tự cần chuyển đổi

 Chọn định dạng cho 2 thanh ghi lưu kết quả

 Bước 3: Thiết lập cấu hình ngắt cho ADC nếu sử dụng:

 Xóa cờ báo ngắt ADIF của ADC

 Cho bit ADIE bằng 1 để cho phép ADC ngắt

 Cho bit PEIE bằng 1 để cho phép ngắt ngoại vi

 Cho bit GIE bằng 1 để cho phép ngắt toàn cục

 Bước 4: Chờ hết thời gian ổn định theo yêu cầu

 Bước 5: Bắt đầu chuyển đổi bằng cách cho bit GO/DONE lên 1

 Bước 6: Kiểm tra chuyển đổi ADC kết thúc

 Bước 7: Đọc thanh ghi kết quả (ADRESH: ADRESL)

 Bước 8: Thực hiện chuyển đổi khi quá trình kết thúc

Các lệnh của ngôn ngữ lập trình C liên quan đến ADC bao gồm:

 Cú pháp: Setup_adc(mode)

 Thông số: Mode analog to digital mode

 Chức năng: Định cấu hình cho ADC

 Có hiệu lực: Cho các PIC có tích hợp ADC

 Cú pháp: Setup_adc_port(value)

 Hằng số: Là hằng số được định nghĩa trong device.h

 Thiết lập Chân của ADC là tương tự, số hoặc tổ hợp cả 2

 Hiệu lực: Cho các PIC có ADC

 Cú pháp: Set_adc_channel(chan) – chọn kênh cần chuyển đổi khi đo nhiều kênh, nếu chỉ có 1 kênh thì không cần

 Thông số: Chan là thứ tự kênh cần chuyển đổi, kênh 0 là kênh bắt đầu

 Chức năng: Chọn kênh cần chuyển đổi, phải chờ 1 khoảng thời gian ngắn khi chuyển kênh, thường thì khoảng thời gian chuyển là 10us

 Cú pháp: Value = read_adc(mode)

 Hằng số mode: Mode là một trong những số này:

 ADC_START_AND_READ (thực hiện lệnh đọc liên tục, mặc nhiên là mode này

 ADC_START_ONLY (bắt đầu chuyển đổi)

 ADC_READ_ONLY (đọc kết quả của lần chuyển đổi cuối cùng)

 Chức năng: Lệnh này đọc giá trị số sau khi chuyển đổi xong

Khi lựa chọn nguồn xung cho ADC, tần số xung clock cho bộ chuyển đổi ADC được thiết lập qua phần mềm thông qua các bit ADCS Có bốn tùy chọn cho nguồn xung clock mà người dùng có thể lựa chọn.

 FRC lấy từ bộ dao động bên trong

Truyền dữ liệu nối tiếp là một phương pháp quan trọng trong điều khiển, được tích hợp sẵn trong hầu hết các vi điều khiển Bài viết này sẽ khám phá hai hình thức truyền dữ liệu: đồng bộ và không đồng bộ, đồng thời hướng dẫn cách viết chương trình truyền dữ liệu cho các ứng dụng thực tế.

2.1.2a Truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ

Truyền dữ liệu đồng bộ bao gồm các đường truyền dữ liệu (DT) và tín hiệu xung clock (CK), trong đó CK có vai trò quan trọng trong việc dịch chuyển dữ liệu Mỗi xung CK tương ứng với 1 bit dữ liệu được truyền đi, đảm bảo quá trình truyền tải diễn ra chính xác và đồng bộ.

Trong hệ thống truyền dữ liệu đồng bộ, hệ thống cung cấp xung CK được xem là chủ, trong khi các hệ thống nhận xung CK đóng vai trò là tớ.

Tốc độ truyền dữ liệu chính là tốc độ của xung CK – chính là tần số xung CK

Hình 2.11 Hệ thống truyền đồng bộ

Truyền dữ liệu không đồng bộ tương tự như truyền dữ liệu đồng bộ nhưng không sử dụng xung CK Trong hệ thống này, không có sự phân biệt giữa chủ và tớ, tất cả các hệ thống đều ngang hàng Để thực hiện việc truyền dữ liệu, mỗi hệ thống cần có một mạch dao động tạo xung CK, với hai hệ thống sở hữu mạch dao động độc lập nhưng phải hoạt động ở cùng tần số hoặc tốc độ.

Hình 2.12 Hệ thống truyền không đồng bộ

2.1.2b Khối truyền dữ liệu EUSART

Vi điều khiển PIC16F887 được trang bị khối truyền dữ liệu đồng bộ và bất đồng bộ đa năng, bao gồm bộ phát xung clock để tạo tốc độ truyền, các thanh ghi dịch và bộ đệm dữ liệu cần thiết cho việc truyền hoặc nhận dữ liệu nối tiếp độc lập Khối EUSART của vi điều khiển này cũng có thể được xem như giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp SCI, cho phép cấu hình truyền dữ liệu bất đồng bộ song công hoặc đồng bộ bán song công.

Truyền dữ liệu song công được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các hệ thống ngoại vi như thiết bị đầu cuối CRT và máy tính

Truyền dữ liệu đồng bộ bán song công là phương pháp được áp dụng để kết nối và truyền tải thông tin giữa các hệ thống ngoại vi như bộ chuyển đổi ADC, DAC, bộ nhớ Eeprom và các bộ vi điều khiển Những thiết bị này thường thiếu nguồn xung clock nội bộ để thiết lập tốc độ baud, do đó, việc sử dụng nguồn xung clock từ bên ngoài là cần thiết.

Khối truyền dữ liệu của PIC16F887 có khả năng:

 Hoạt động truyền và nhận dữ liệu song cong bất đồng bộ

 Bộ đệm nhận chứa được 2 ký tự

 Bộ đệm phát chứa 1 ký tự

 Có thể lập trình chiều dài dữ liệu 8 bit hoặc 9 bit

 Có khối phát hiện địa chỉ 9 bit

 Có thể hoạt động ở chế độ chủ truyền dữ liệu bán song cong

 Có thể hoạt động ở chế độ tớ truyền dữ liệu bán song cong

 Có thể lập trình chọn xung clock ở chế đồ truyền đồng bộ

2.1.2c Các thanh ghi phục vụ cho khối ESUART của PIC16F887

Hoạt động của khối ESUART được điều khiển thông qua 3 thanh ghi như sau:

 Thanh ghi điều khiển và trạng thái của khối phát (TXSTA – transmit Status and Control)

 Thanh ghi điều khiển trạng thái của khối nhận (RCSTA – transmit Status and Control)

 Thanh ghi điều khiển tốc độ baud (BAUDTCL – Baud Rate Control)

2.1.2d Các lệnh truyền dữ liệu EUSART của PIC16F887

Các lệnh của ngôn ngữ lập trình C liên quan đến ngắt bao gồm:

 Lệnh SETUP_UART (BAUD, STREAM)

 Cú pháp setup_uart (baud, stream)

Nguyên tắc hoạt động của mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

Máy biến áp 3 pha đấu hình sao có ba pha điện áp Ua, Ub, Uc lệch nhau 120 độ Ba catod được đấu chung để tạo ra điện áp chung cho tải, trong khi trung tính của biến áp sẽ mang điện áp âm Do đó, trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ (120 độ), điện áp một pha sẽ dương hơn điện áp của hai pha còn lại.

Vì vậy tại mỗi thời điểm chỉ có một điện áp dương so với 2 pha còn lại

Nguyên tắc hoạt động của SCR dựa vào chân điều khiển G; chỉ khi chân G có điện áp dương, SCR mới được kích mở Thời điểm hai điện áp giao nhau được gọi là góc thông tự nhiên, trong đó ở chỉnh lưu ba pha, góc kích mở nhỏ nhất là α=0 độ, sẽ tạo ra sự dịch pha so với điện áp pha khoảng 30 độ.

Hình 2.33 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

Mỗi thời điểm chỉ có một van dẫn hoạt động, do đó mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ Dòng điện trung bình của các van SCR là 1/3 Id Khi van dẫn hoạt động, dòng điện của van SCR bằng dòng điện tải, còn khi van SCR khóa, dòng điện bằng 0 Điện áp mà van phải chịu tương đương với điện áp dây.

 Ua, Ub, Uc: Điện áp các pha A, B, C (Uab =Ubc=Uac80v, Ua=Ub=Uc"0v)

 I1, I2, I3: Dòng tức thời qua các SCR1, SCR2, SCR3

 Ud, Id: Trị trung bình điện áp tải và dòng điện tải

 G1, G2, G3: Các van điều khiển của các SCR1, SCR2, SCR3 Điều kiện:

 Nguồn áp lí tưởng: Nguồn xoay chiều 3 pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng 0

 Các linh kiện bán dẫn lí tưởng: Điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0 Tải

L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục Mạch ở trạng thái xác lập

Góc điều khiển α là góc trễ so với góc mà tại đó các diode bắt đầu dẫn Độ rộng của góc này được xác định từ thời điểm xuất hiện điện áp dương trên SCR cho đến khi xuất hiện xung kích ở cổng điều khiển.

SCR được kích hoạt bởi các xung kích, và thời điểm xuất hiện xung kích cũng chính là lúc SCR dẫn điện Các xung này cách nhau 120 độ, và để duy trì hiệu quả hoạt động, xung kích cần có độ rộng nhất định.

Hình 2.34 Xung kích cho mạch tia 3 pha

Trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha, góc kích α được xác định từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên M, N, L Góc kích α tại thời điểm này là góc nhỏ nhất, vì nếu có xung kích trước khi chuyển mạch, SCR sẽ không dẫn do SCR trước đó đã dẫn Thời điểm chuyển mạch tự nhiên cũng có thể được hiểu là thời điểm bắt đầu kích xung cho mạch Hình dưới đây thể hiện các dạng sóng ngõ ra trên tải R khi điều chỉnh góc kích α lần lượt là: α=0˚, α0˚, α`˚, α˚, α0˚.

Hình 2.35 Dạng điện áp sóng 3 pha

Hình 2.36 Dạng sóng ngõ ra trên tải R khi α=0˚

Hình 2.37 Dạng sóng ngõ ra trên tải R khi α0˚

Hình 2.38 Dạng sóng ngõ ra trên tải R khi α`˚

Hình 2.39 Dạng sóng ngõ ra trên tải R khi α˚

Hình 2.40 Dạng sóng ngõ ra trên tải R khi α0˚

Mỗi SCR chỉ có thể dẫn điện trong khoảng < α < nửa chu kỳ dương tương ứng của nguồn Góc dẫn của mỗi SCR trong nửa chu kỳ này sẽ luôn nhỏ hơn một giá trị nhất định.

Các xung điều khiển của các SCR đồng bộ, cùng chu kỳ với điện áp nguồn thứ cấp Ua,

Ub, Uc Thứ tự các SCR lệch nhau

Các con SCR trong mạch chỉnh lưu tia 3 pha nửa chu kỳ hoạt động như sau: Trong chu kỳ đầu, tại góc β1 = + α, SCR1 được kích hoạt do điện áp Ua đạt giá trị lớn nhất, dẫn đến việc SCR1 kết nối tải với điện áp pha a, tạo ra điện áp đầu ra Ud = Ua Tiếp theo, tại góc pha β2 = + α +, SCR2 được kích hoạt khi điện áp Ub đạt giá trị lớn nhất.

SCR2 dẫn nối tải với điện áp pha b, Ud = Ub Tại góc pha β3 = + α + kích SCR3 dẫn nối tải với điện áp pha c, Ud = Uc

Khi góc kích α thay đổi từ 0 đến π, điện áp trên tải thuần trở Ud sẽ giảm từ giá trị Ud0 xuống 0.

Các công thức tính toán liên quan đến Ud (điện áp trung bình trên tải), Id (dòng điện trung bình trên tải R) và ISCR (dòng điện trung bình trên mỗi SCR) rất quan trọng trong việc phân tích và thiết kế mạch điện Những công thức này giúp xác định các thông số hoạt động của hệ thống điện, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị Việc nắm vững các công thức này là cần thiết cho các kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực điện tử.

 Trường hợp: 0 < α < , Ud sẽ được tính như sau:

 Trường hợp: α > , Ud sẽ được tính như sau:

 Giá trị trung bình của dòng trên tải: Id = (2.3)

 Giá trị trung bình của dòng trên SCR: ISCR = (2.4)

Khi một SCR dẫn điện, quá trình khóa SCR sẽ bị kéo dài do tích lũy năng lượng trong phần cảm Đặc biệt, nếu điện cảm của phần cảm lớn, thời gian khóa SCR sẽ càng kéo dài hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48 kéo dài Dòng tải có thể liên tục hoặc gián đoạn

Khi một SCR kết thúc quá trình khóa kéo dài mà SCR tiếp theo chưa có xung kích, dòng điện phụ tải sẽ bị gián đoạn Ngược lại, nếu một SCR chưa kết thúc quá trình khóa kéo dài nhưng SCR khác đã có xung kích, dòng điện phụ tải sẽ duy trì liên tục.

Hình 2.41 Dạng điện áp tải RL ở chế độ dòng điện gián đoạn

Hình 2.42 Dạng sóng dòng Id trên tải ở chế độ dòng gián đoạn

Hình 2.43 Dạng sóng điện áp ở chế độ dòng liên tục

Khi tải cảm kháng ta có 2 chế độ dòng điện :

 Chế độ dòng điện gián đoạn khi trị số tự cảm L quá nhỏ và góc kích α >

Chế độ dòng điện liên tục không phụ thuộc vào trị số điện cảm khi α < 0, và khi α > 0 nhưng L rất lớn, dòng tải sẽ duy trì liên tục và phẳng mà không bị ảnh hưởng bởi α.

 Điện áp trung bình trên tải: Ud = 1,17.U2.Cosα (2.5)

 Dòng trung bình trên tải: Id = (2.6)

Dòng điện trung bình qua phụ tải ở chế độ chính lưu được tính theo công thức:

 Điện áp trung bình trên tải: Ud = 1,17.U2.Cosα (2.7)

Khi α > , Ud < 0 mà E đảo cực tỉnh thì bộ biến đổi sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Khi đó dòng điện sẽ xác định theo công thức:

Hình 2.45 Dạng sóng điện áp tải RLE.

Lí thuyết phần tạo giao diện bằng Visual Bacsic 2010

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào lý thuyết thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính cho mạch và cách giao tiếp với vi điều khiển Để thiết kế giao diện điều khiển, cần sử dụng thư viện System.Drawing để vẽ đồ họa, từ đó tạo ra các hình dạng đơn giản như đường thẳng và hình tròn Mỗi form trong hệ thống tọa độ có tọa độ riêng, với gốc tọa độ bắt đầu từ góc trái trên của form và đơn vị đo là pixel Hệ tọa độ bao gồm trục hoành (trục x) và trục tung (trục y), với mỗi điểm trên form được xác định bởi tập tọa độ (x,y) Khi sử dụng các phương thức của System.Drawing.Graphics, bạn cần tạo một thể hiện của lớp Graphic và sau đó tạo các đối tượng bút vẽ (Pen) và chổi vẽ (Brush) để xác định nét vẽ hình học Đối tượng Pen không cần phương thức tô màu, trong khi đối tượng Brush cần truyền tham số màu cho các phương thức liên quan Chúng ta sẽ tìm hiểu một số hình học cơ bản có trong đề tài.

 Dim GraphicsFun As Graphics: Biến đối tượng GraphicFun được khai báo có kiểu Graphic

Đối tượng BrushColor được khai báo bằng lớp SolidBrush với màu đỏ, cho phép sử dụng chổi vẽ này để tạo hình Người dùng có thể dễ dàng thay đổi màu sắc của chổi vẽ sang các màu khác như xanh, vàng, và nhiều màu khác.

Biến Pen_Color được khai báo dưới dạng đối tượng Pen với màu xanh lá, cho phép người dùng tùy chỉnh màu sắc nét vẽ sang các màu khác như đỏ, vàng, và nhiều màu khác.

 GraphicsFun = Me.CreateGraphics: hàm chức năng trong thư viện

Hàm GraphicsFun.FillEllipse(BrushColor, x1, y1, chieu_dai, chieu_rong) cho phép vẽ một hình elip bằng cách sử dụng chổi vẽ BrushColor Để vẽ hình elip, cần xác định tọa độ góc trên bên trái của hình chữ nhật chứa hình elip tại (x1, y1), cùng với chiều dài (chieu_dai) và chiều rộng (chieu_rong) của hình chữ nhật.

Hàm GraphicsFun.DrawLine(Pen_Color, x1, y1, x2, y2) cho phép người dùng sử dụng đối tượng Pen có tên là Pen_Color để vẽ một đường thẳng Đường thẳng này sẽ có màu sắc tương ứng với Pen_Color, với tọa độ điểm đầu tại (x1, y1) và tọa độ điểm cuối tại (x2, y2).

 Ngoài ra còn một số button, combobox, text… Ở phần giao tiếp với vi điều khiển:

 My.Computer.Ports.SerialPortNames.Count: Câu lệnh sẽ trả về số cổng com đang kết nối với máy tính

 My.Computer.Ports.SerialPortNames(i): Câu lệnh này sẽ trả về tên của cổng COM thứ I đang kết nối với máy tính

 Private Sub OnCom(ByVal sender As System.Object, ByVal e As

System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs) Handles

Khi cổng COM nhận được dữ liệu thì chương trình sẽ gọi chương trình con OnCom

 SerialPort1.ReadByte(): Câu lệnh này sẽ trả về giá trị mà cổng com nhận

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 được dưới dạng số nguyên

 SerialPort1.Write(x): Câu lệnh này sẽ gửi ký tự x thông qua cổng COM Lưu ý: Ký tự x có kiểu là char

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Giới thiệu

Mạch chỉnh lưu tia 3 pha sử dụng vi điều khiển để giao tiếp với máy tính được thiết kế nhằm điều khiển và giám sát điện áp ngõ ra thông qua giao diện Visual Basic 2010 Mạch này có khả năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều 3 pha 220/380VAC thành điện áp 1 chiều, có thể điều chỉnh từ 0VDC đến khoảng 257,5VDC Quá trình thiết kế bao gồm tính toán và xây dựng mạch đồng bộ, mạch điều khiển, mạch lái các SCR và cách ly, đồng thời lựa chọn linh kiện phù hợp, đặc biệt là SCR với điện áp ngõ ra cao Giao diện trên PC cũng rất quan trọng, cần được thiết kế dễ nhìn và dễ sử dụng, cho phép người dùng kiểm soát và giám sát điện áp ngõ ra thông qua việc thay đổi góc kích hoặc sử dụng biến trở.

Tính toán và thiết kế hệ thống

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh bao gồm các khối chính như khối nguồn ba pha, khối đồng bộ, khối driver và cách ly, khối điều khiển bằng vi xử lý, khối chỉnh lưu và khối tải Những khối này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống điện tử trong lĩnh vực y sinh.

Nguồn 3 pha AC với điện áp 220/380VAC được lấy từ lưới điện, phục vụ cho việc cung cấp năng lượng cho máy biến áp Nó tạo ra các xung đồng bộ cần thiết cho việc điều khiển vi điều khiển, đồng thời cung cấp nguồn nuôi cách ly điện áp thấp cho mạch điều khiển và điện áp 220/380V AC cho mạch chỉnh lưu tia 3 pha.

Khối chỉnh lưu là mạch chỉnh lưu tia 3 pha sử dụng 3 SCR để chuyển đổi điện áp AC thành DC, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi góc kích cho các SCR Nguồn điện vào được cung cấp từ hệ thống 3 pha 220/380V, trong khi tín hiệu kích cho các SCR được lấy từ khối drive Đầu ra của khối chỉnh lưu cung cấp điện áp cho các tải như bóng đèn hoặc động cơ DC.

 Tải motor DC: Nhận điện áp DC từ khối chỉnh lưu để hoạt động

Máy biến áp là thiết bị có chức năng chính là thay đổi điện áp Hệ thống bao gồm 5 máy biến áp, với ngõ vào nhận nguồn điện 3 pha AC 220/380VAC Ngõ ra của hệ thống tạo ra 5 nguồn 12VAC cách ly, trong đó 3 máy cung cấp cho mạch đồng bộ và 2 máy phục vụ cho mạch ổn áp.

Mạch ổn áp chuyển đổi điện áp 12VAC thành khoảng 16VDC bằng cách sử dụng diode và tụ lọc Sau đó, IC 7805 được sử dụng để tạo ra điện áp 5VDC ổn định, cung cấp cho mạch vi xử lý và drive cách ly.

Mạch đồng bộ nhận tín hiệu từ ba máy biến áp 12V, với điện áp thứ cấp cùng pha với điện áp 3 pha 220/380V Mạch này tạo ra ba tín hiệu xung vuông đồng bộ với điện áp đầu vào, trong đó bán kỳ dương tạo ra mức 1 và bán kỳ âm tạo ra mức 0, cung cấp cho khối điều khiển.

Khối điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm trung tâm xử lý, có khả năng truyền nhận dữ liệu với máy tính Nó nhận tín hiệu từ khối điều khiển bên ngoài, cụ thể là từ biến trở, và cung cấp tín hiệu điều khiển cho khối drive cách li.

Drive cách li là thiết bị dùng để tách biệt các mạch công suất lớn khỏi mạch điều khiển Nó nhận tín hiệu từ vi xử lý để điều khiển các SCR trong mạch chỉnh lưu, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động.

 Giao diện PC: Truyền nhận dữ liệu với khối điều khiển trung tâm, dùng Visual Basic 2010 để lập trình, chức năng hiển thị giao diện, quản lí, kiểm

Khối điều khiển ngoài sử dụng biến trở để tạo ra điện áp thay đổi từ 0V đến +VCC Tín hiệu ngõ ra sẽ được gửi đến phần điều khiển trung tâm, cho phép điều chỉnh góc kích một cách thủ công.

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch a Thiết kế khối chỉnh lưu tia 3 pha

Hình 3.2 Sơ đồ chân SCR TYN1225

Thông số chính SCR TYN1225 thể hiện trong bảng dưới đây:

Repetitive peak off-state voltage 1200V

Gate trigger Current - Igt 4mA

Ta thiết kế sơ đồ kết nối chân như bên dưới:

Sơ đồ kết nối chân của khối chỉnh lưu tia 3 pha cho thấy điện áp cung cấp là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V với tần số 50Hz Khối chỉnh lưu này cung cấp điện áp ra cho tải động cơ DC có công suất 100W, từ đó cho phép thực hiện các tính toán cần thiết.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 max 6 2 6.220 539

 Dòng điện trung bình qua mỗi SCR:

Dòng điện trung bình cực đại khi α = 0˚ qua tải khi điện áp cực đại là: max max 2

Nên dòng điện trung bình cực đại qua mỗi SCR là: max SCR max

Khi lựa chọn SCR, cần dựa trên hai tiêu chí chính là IST (dòng điện định mức) và UPIVST (điện áp ngược cực đại mà SCR có thể chịu đựng khi phân cực ngược) Các yếu tố này phải được xác định dựa trên ITD (dòng thuận qua mỗi SCR) và UPIVN (điện áp ngược lớn nhất mà mỗi SCR phải chịu trong mạch).

Rõ ràng việc lựa chọn SCR có UPIVST và IST càng cao thì càng tốt, với UPIVST> 862V và IST > 0.16A ta chọn loại SCR TYN 1225 có thông số IST = 25A, UPIVST 00V

 Pcung cấp = Umax.IST = 257,5.25 = 6,44 (KW) (3.6)

Để thiết kế mạch bảo vệ RC cho SCR, cần sử dụng mạch RC mắc song song với SCR nhằm tránh hiện tượng tự dẫn do tăng áp đột ngột Khi xảy ra hiện tượng này, điện áp trên hai cực A và K sẽ nạp cho tụ C, giúp giảm điện áp đặt lên SCR và ngăn ngừa tự dẫn Trị số khuyến nghị cho R là từ 5 đến 30 Ω và C từ 0.5 đến 4 uF Trong khối chỉnh lưu, chọn điện trở công suất R là 10Ω với công suất 2W, và tụ điện 104-600V để đảm bảo không bị đánh thủng khi điện áp ngược cực đại đạt 539V.

Hình 3.4 Linh kiện R,C được chọn để bảo vệ SCR b Thiết kế khối đồng bộ

Khối này chịu trách nhiệm tạo ra các xung vuông đồng bộ với tín hiệu từ nguồn 3 pha, sau đó truyền vào khối xử lý trung tâm, trong đó bán kỳ dương tương ứng với mức logic 1 và ngược lại.

Các linh kiện được sử dụng trong khối này bao gồm: Opto PC817, transistor C1815, một số điện trở hạn dòng có giá trị 10k, led báo hiệu

Bảng 3.2 Thông số chính optoPC817 (nguồn datasheet)

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối chân đồng bộ pha A

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối chân đồng bộ pha B

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối chân đồng bộ pha C

 Tính điện trở hạn dòng cho đèn led báo nguồn:

Chọn dòng điện qua led là 1.5mA và điện áp rơi trên led khi được phân cực thuận là 2V

Từ đó ta tính được điện trở hạn dòng cho led:

 Tính điện trở hạn dòng cho led của opto PC817

Chọn dòng điện qua led là 3mA( do led chịu dòng cực đại là 15mA) và điện áp rơi trên led khi được phân cực thuận là 2V

Từ đó ta tính được điện trở hạn dòng cho led:

Dòng qua led khi chọn R=4.7kOhm là: 3.2mA

 Chọn điện trở hạn dòng cực B của transistor Q2

Dòng ICQ2 là 3.2mA và transistor C1815 có hệ số khuếch đại β = 200, do đó dòng vào I_B được tính là I_C / 200, tương ứng với 16μA Để transistor Q2 dẫn bão hòa, dòng thực tế I_B phải lớn hơn dòng lý thuyết I_B Trong trường hợp này, chúng ta chọn RkOhm và tiến hành tính toán.

Transistor Q1 có chức năng loại bỏ phần điện áp âm, cho phép tạo ra mức logic 1 ở ngõ ra Khi điện áp dương xuất hiện, ngõ ra của transistor sẽ giảm dần từ mức logic 1 xuống mức logic 0, tạo ra điện áp gần vuông trên chân C của Q1 Do đó, điện trở hạn dòng cho cực B không cần tính toán chi tiết, mà chỉ cần chọn giá trị sao cho dòng IB không quá lớn để tránh hỏng transistor, cũng như không quá nhỏ để đảm bảo transistor dễ dàng dẫn bão hòa Điện trở có giá trị 10kOhm là lựa chọn phù hợp để đáp ứng các yêu cầu này.

 Chỉ giải thích cho mạch đồng bộ pha A các mạch còn lại tương tự

Công cụ phần mềm hỗ trợ

Phần mềm PICC Compiler được sử dụng để hỗ trợ và biên dịch cho PIC16F887

Phần mềm Visual Studio 2010 sử dụng ngôn ngữ Visual Bacsic 10 để lập trình cho việc giao tiếp với vi xử lí và tạo giao diện

Phần mềm Proteus 8.5 sử dụng để thiết kế và mô phỏng điện tử

THI CÔNG HỆ THỐNG

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Mạch Chỉnh Lưu Tia 3 Pha Dùng Vi Điều Khiển Giao Tiếp Với Máy Tính
Tác giả	Trần Vĩnh Thanh, Hà Văn Huy
Người hướng dẫn	ThS. Hoàng Ngọc Văn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	169
Dung lượng	8,63 MB