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 ĐÌNH LỊCH
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và thể hiện trong đề tài là của
riêng tôi, không sao chép các đề tài khác, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm và
chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra.

Thái nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014
Người viết

Phạm Đình Lịch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS. Nguyễn Nhƣ Hiển vì
sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của thầy trong suốt quá trình em thực hiện đề tài.

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng …………………………………………………… 10
Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng …………………………………………… 11
Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc ……… 11
Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy …. …………………………………………………… 12
Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8………………………………………….… 16
Hình 1.11: Sơ đồ khối Atmega8……………………………………………… ….18
Hình 1.12: Cấu trúc bộ nhớ AVR………………………………………………….19
Hình 1.13: Timer/Counter1……………………………………………………… 22
Hình 1.14: Thanh ghi TCCR1A ……………………………………………… 23
Hình 1.15: Thanh ghi TCCR1B 23
Hình 1.16: Thanh ghi OCR1A 24
Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B 24
Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK 24
Hình 1.19: Thanh ghi TIFR 25
Hình 1.20: Ví dụ về tín hiệu PWM……………………………………………… 26
Hình 1.21: Các mốc giá trị của T/C1………………………………………………26
Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM……………………………………… 27
Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B…………………………………… 27
Hình 1.24: Fast PMW mode 14…… …………………………………………… 28
Hình 1.25: Cấu trúc thanh ghi SREG 30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv
Hình 1.26: Cấu trúc thanh ghi ADMUX………………………………………… 31
Hình 1.27: Cấu trúc thanh ghi ADCSRA………………………………… …… 32
Hình 1.28: Cấu trúc thanh ghi ADCH…………………… ………………………34
Hình 1.29: Cấu trúc thanh ghi ADCL…… …………………………………… 34
Hình 1.30: Cấu trúc thanh ghi ADCSRB 34

Hình 2.26: Đi ốt chỉnh lưu và đi ốt ổn áp………………………………………… 52
Hình 2.27: Hình ảnh về tụ điện…………………………………………………….52
Hình 2.28: Hình ảnh về Jắc cắm trong mạch………………………………………53
Hình 2.29: Hình ảnh rơ le 5 chân………………………………………………… 53
Hình 2.30: Điện trở……………………………………………………………… 53
Hình 2.31: Quạt làm mát………………………………………………………… 53
Hình 2.32a: Phía dưới của mạch điện…………………………………………… 54
Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện………………………………………………54
Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện………………………… 55
Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện……………………………………………55
Hình 2.35: Tôn silic làm biến áp công suất……………………………………… 55
Hình 2.36: Khung của biến áp…………………………………………………… 56
Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất……………………………………….56
Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng……………………………………………………….57
Hình 3.2: Đòng hồ đo R,L,C 58
Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59
Hình 3.4: Kết nối mạch lưc…………….……… 59
Hình 3.5: Điện áp ra trên tải là 220V………………………………………………60
Hình 3.6. Dạng sóng của dòng điện trên tải……………………………………… 60
Hình 3.7: Dạng sóng của điện áp ra khi không tải……………………………… 61
Hình 3.8: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là bóng đèn sợi đốt công suất 300W…… 61
Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.8……………………………… 62
Hình 3.10: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 bóng đèn tuýp…………………… 62
Hình 3.11: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.10…………………………… 63
Hình 3.12: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện………………………… 63
Hình 3.13: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.12…………………………… 64
Hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ, dạng sóng của hình 3.12…………………………64
Hình 3.15: Chụp BBĐ từ trên xuống………………………………………………65
Hình 3.16: Chụp mặt trước của BBĐ………………………………………………65


1.3.4.2.Sử dụng Timer/Counter………………………………………….…………21
1.3.4.3.Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)…………………………………… ….27
1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8……………………………………… 29
1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số trong Atmega8……….……………….30
1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA………………… … 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii
1.3.6.2.Thanh ghi dữ liệu của bộ chuyển đổi ADC – ADCH và ADCL….……… 33
1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRB………………… … 34
1.3.7.Các thanh ghi PORT xuất nhập………………………………………………35
1.3.7.1.Giới thiệu chung…………………… …………………………………….35
1.3.7.2.Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường… ……………….36
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… …………………… 37
2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ……………………………………….………………37
2.1.1.Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ…………………… 37
2.1.2.Thiết kế khối nguồn cho VĐK…………………………….……………… 39
2.1.3.Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)…………………………………….40
2.1.4.Mạch đo điện áp vào…………………………………………………………41
2.1.5.Mạch phản hồi điện áp……………………………………………………….41
2.1.6.Mạch bảo vệ quá nhiệt độ……………………………………………………42
2.1.7.Mạch bảo vệ quá tải………………………………………………………….43
2.1.8.Mạch hiển thị……………………………………………………… …… 44
2.1.9.Lựa chọn biến áp…………………………………………………………… 45
2.1.10.Sơ đồ nguyên lý và mạch in……………………………………………… 45
2.1.10.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện………………………………………………45
2.1.10.2.Mạch in sau khi thiết kế………………………………… …………… 46
2.2.Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………46

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. Vì không có điện, mọi mặt của đời sống xã hội, bị đình
trệ. Vậy thì điện năng của nước ta được sản xuất từ đâu? Phần lớn là từ các nguồn
năng lượng truyền thống, như sức nước, nhiệt (than đá, khí đốt…) và khi nguồn
năng lượng truyền thống này dần bị cạn kiệt, hoặc gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh
hưởng đến chất lượng cuộc sống, thì chúng ta cần có nguồn năng lượng mới để thay
thế; như sức gió, hạt nhân hoặc năng lượng tái tạo.
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 và có quy mô nhỏ, trong khi đó dự án điện hạt nhân phải đến
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 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(BBĐ). Tuy nhiên những thiết bị này lại có những ưu nhược điểm khác nhau.
Với máy phát điện, có ưu điểm là đáp ứng được với tải có công suất vài KW đến
hàng trăm KW, nhược điểm là giá thành khá cao, vận hành phức tạp, đặc biệt gây ra
tiếng ồn. BBĐ lại có nhiều ưu điểm hơn là đáp ứng nhanh, tính cơ động và không
gây tiếng ồn nhưng có công suất nhỏ. Vậy là giải pháp khắc phục cho sự cố mất
điện bằng BBĐ, với phụ tải có công suất đến vài KW là hoàn toàn có khả thi.
Hàng ngày chúng ta gặp nhiều các BBĐ; Trong kỹ thuật có BBĐ 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.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chủng loại, loại do công ty nước ngoài
sản xuất, loại do công ty liên doanh sản xuất và loại do trong nước sản xuất;
- Trên thế giới: Nhiều công ty đã nghiên cứu sản xuất, điển hình như Công


- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo BBĐ và sử dụng các thiết bị đo như
máy hiện sóng để kiểm tra chất lượng điện áp ra, sau đó đưa ra các giải pháp hiệu
chỉnh đến khi đạt yêu cầu.
- Phương pháp khảo sát: Khảo sát một số bộ biến đổi có trên thị trường để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3
tìm hiểu về nguyên lý làm việc, vận dụng chế tạo mạch điện, lựa chọn linh kiện và
sử dụng thiết bị đo để khảo sát chất lượng điện áp ra.
- Phương pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức
cơ bản của bản thân để từ đó chọn phương án thực hiện đề tài.
- Thiết bị vật tư:
+ Thiết bị: Máy hiện sóng, đồng hồ vạn năng, đồng hồ đo L,C,R, Máy vi
tính, các phần mềm ứng dụng
+ Vật tư: Bàn quấn dây, mạch nạp và các vật tư khác.
6. Cấu trúc đề tài
Đề tài được trình bày trong 3 chương
- Mở đầu:
- Chương 1: Tổng quan về BBĐ
- Chương 2: Thiết kế và chế tạo BBĐ
- Chương 3: Khảo sát chất lượng BBĐ
- Kết luận.


Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC
b. Nhiệm vụ từng khối
Nguồn
DC
Nghịch
lưu
Nguồn
ra
Tổng hợp
và
Điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5
- Khối nguồn DC là nguồn một chiều (Pin, Ắc quy, Siêu tụ điện)
- Khối nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp
xoay chiều
- Khối Đầu ra: Là khối cung cấp trực tiếp hay gián tiếp thông qua chuyển
mạch, đưa điện áp xoay chiều đến phụ tải.
- Khối tổng hợp và điều khiển:
+ Tổng hợp tín hiệu như bảo vệ như: Bảo vệ dòng điện, điện áp, nhiệt độ
+ Điều khiển đóng, mở các van trong bộ nghịch lưu.
1.1.4. Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến đổi
BBĐ là bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tức là; Khi
đưa nguồn một chiều tới đầu vào của bộ nghịch lưu, thì đầu ra của bộ nghịch lưu có
điện áp xoay chiều tương ứng, tần số có thể thay đổi được theo yêu cầu của phụ tải.
1.2. Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ

>0; S
2
, S
3
đóng: i
0
<0
Vậy tải nhận được dòng AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải. Và
với dòng điện AC trên tải là những xung vuông thì chưa đáp ứng được yêu cầu của
đề tài này.
1.2.1.2. Sơ đồ nghịch lƣu một pha có điểm giữa:
- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.3.
Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách
đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp
có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ. Tụ điện C có vai trò giúp các thyristor
chuyển mạch. Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp
một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại
nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn.
- Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa
cuộn dây sơ cấp. Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C. Mở thyristor tiếp theo sẽ
làm khoá thyristor trước, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song.
-
+
L1
L2 L3
C
U1
MCR12DCMT4
U2
MCR12DCMT4

S2
S1
S4
S3
D1
D2
D3
D4
C
V
Tai
Vo

Hình 1.4 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu
1.2.1.4.Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8
- Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp. Có thể kể đến như
phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo
mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp
điều rộng…Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có
dạng càng gần sin càng tốt. Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin
mô phỏng và true sin (thuần sin).
a.Dạng sóng sin mô phỏng:
Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai
đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các dạng sóng được vẽ
trong Hình 1.5 dưới đây. Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dễ dàng bằng cách

- Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều
khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử
dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng.
* Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM), dùng vi điều
khiển(VĐK) hay vi xử lý để điều biến theo phương pháp điều chế theo mẫu[3]:
- Dựa trên nguyên lý so sánh hai tín hiệu sin và sóng mang như đã giới thiệu
ở phần trên, khác biệt ở đây là sử dụng các timer/counter trong VĐK để tao ra các
kênh PWM, điều khiển đóng, mở các khóa điện tử trong bộ cầu H.
- Trong thực tế ngày nay thường dùng VĐK hoặc PIC để tạo tín hiệu PWM
thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với
nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10
- Dùng VĐK để tạo sóng sin, thực chất là thay thế sóng sin bằng dạng sóng
nấc thang như hình sau:

Hình 1.7a:Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang[4]
- Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng. Khi điều chế đối xứng, số
giá trị hình sin trong một chu kỳ bằng bội số điều chế N = f
c
/ f
0
(tần số lấy mẫu
bằng tần số sóng tam giác) như hình 1.7b.

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng[3] Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng[3]
- Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức sau:

tỉ số U
M
/ U
C

- Khi điều chế không đối xứng số lần tính hàm sin tăng lên gấp đôi (như hình
1.7c).
- Để nâng cao biên độ tín hiệu PWM nhằm tránh nhiễu cho các khóa, người
ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11
- Sử dụng VĐK có ưu điểm sau:
+ Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)
+ Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều
+ Giá thành không quá đắt
+ Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp
+ Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM
+ Ngoài ra, còn có thể sử dụng các cổng còn lại của VĐK để thực hiện các
chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…
Với những ưu điểm của VĐK như đã phân tích ở trên, nên chọn VĐK
Atmega8 (AVR) để ứng dụng trong đề tài này.
1.2.1.5. Mạch công suất của bộ nghịch lƣu (cầu H)
- Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo
hình chữ H. Bằng cách điều khiển các khóa trong mạch ta có thể tạo điện áp dương,
âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.8.
Q1
IRF3205

Tắt
Dẫn
Dẫn
Tắt
Âm
Dẫn
Dẫn
Tắt
Tắt
0V
Tắt
Tắt
Dẫn
Dẫn
0V
1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC.
Thực tế có nhiều cách để cấp nguồn DC cho BBĐ, như dùng điện thu được
từ pin mặt trời, pin nhiên liệu hay ắc quy, siêu tụ điện… Với mục tiêu của đề tài là
chế tạo BBĐ dùng trong sinh hoạt cho các hộ gia đình, để thuận tiện trong việc ứng
dụng nên ắc quy là lựa chọn phù hợp.
1.2.2.1, Giới thiệu chung về Ắc quy.
- Đối với ắc quy, trên thị trường cũng có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên loại
ắc quy được đề cập đến trong đề tài là ắc quy axit.
- Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng
dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Dòng điện
trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung
dịch H2SO4.
- Bình ắc quy được làm từ nhiều tế bào ắc quy (cell), ta gọi đó là những ắc
quy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng.
- Mỗi ắc quy đơn có điện thế khoảng 2V. Ắc quy 12V có 6 ắc quy đơn mắc

C.
- Khả năng khởi động ban đầu: (chỉ áp dụng cho ắc quy tích điện khô). Trong
vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, ắcquy phải đảm bảo được thông số theo bảng 1.3
Bảng 1.2: Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy
Ắc quy tích
điện khô
Dòng điện
phóng khởi
động I
p,
(A)
Thời gian tối
thiểu kết thúc
khởi động
(phút)
Điện áp đầu ra (V)
Sau 5-7s từ lúc bắt
đầu phóng
Điện áp cuối
Loại
bình 6v
Loại
bình 12v
Loại
bình 6v
Loại
bình 12v
Trong vòng
60 ngày kể
từ khi sản

p
= 3C
20
(A). Chỉ tiêu này để áp dụng cho ắcquy
không thuộc loại tích điện khô. Các thông số của ắc quy phải đạt như theo bảng 1.4
Bảng 1.3: Khả năng phóng điện của ắc quy
Thời gian tối
thiểu kết
thúc khởi
động tính
bằng (phút)
Dòng điện
phóng khởi
động I
p,
(A)
Điện áp đầu ra
Sau 5-7s từ lúc bắt đầu
phóng
Điện áp cuối
Loại bình
6V
Loại bình
12V
Loại bình
6V
Loại bình
12V
5.5
3C

- Tuổi thọ của ắc quy (tính theo chu kỳ phóng nạp điện): Tuổi thọ ắc quy
phải đạt thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này.
- Ghi nhãn: Tên mỗi bình ắc quy phải ghi rõ và bền:
+ Tên nhà máy sản xuất
+ Dấu hiệu hàng hóa sản xuất
+ Kí hiệu quy ước ắc quy; dung lượng danh định (Ah); điện áp (V)
+ Kí hiệu đầu cực: Cực dương “+” và âm “ - ”
+ Thời gian sản xuất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 15
+ Kí hiệu tiêu chuẩn này (TCVN:4472:93)
1.3. Giới thiệu về Atmega8.
1.3.1.Tổng quan về Atmega8.
* Giới thiệu về vi điều khiển AVR
- AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều