Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong hệ thống điện công nghiệp và dân dụng hiện đại, đa số các thiết bị điện tử, hệ thống truyền động điện và cơ cấu chấp hành sử dụng nguồn năng lượng một chiều (DC). Do lưới điện phân phối phổ biến là dòng điện xoay chiều (AC), các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Trong đó, mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển sử dụng linh kiện bán dẫn công suất Thyristor (SCR - Silicon Controlled Rectifier) là một giải pháp kinh điển được ứng dụng rộng rãi nhằm cung cấp và điều chỉnh điện áp phần ứng cho động cơ điện một chiều (DC), các quá trình điện phân hóa chất và các thiết bị công nghiệp công suất lớn.
Nghiên cứu xuất phát từ việc kế thừa đề tài khóa trước mang tên "Đồng bộ SCR bằng vi xử lí". Đề tài trước đây đã bước đầu thành công trong việc nghiên cứu lý thuyết và đồng bộ tín hiệu điều khiển SCR cho các sơ đồ chỉnh lưu (như cầu 3 pha, tia 6 pha, tia 3 pha, tia 1 pha), nhưng còn tồn tại hạn chế lớn là chưa thi công hoàn chỉnh thành mô hình phần cứng thực tế. Do đó, đề tài "Thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng vi điều khiển giao tiếp với máy tính" được thực hiện nhằm giải quyết trọn vẹn bài toán từ tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển góc kích trên vi điều khiển Microchip PIC16F887 cho đến xây dựng phần mềm giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính.
Mục tiêu tổng quát của đồ án là chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển, lập trình vi điều khiển PIC16F887 để điều khiển góc kích $\alpha$, hồi tiếp điện áp ngõ ra, thiết lập kết nối truyền thông với máy tính qua cổng nối tiếp và xây dựng giao diện người dùng trên Visual Basic 2010 nhằm hiển thị, giám sát và điều chỉnh các thông số điện áp và góc kích.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được phân định thành 6 nội dung cụ thể:
- Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển; tìm hiểu thông số kỹ thuật và tính toán lựa chọn linh kiện; thiết kế mạch điều khiển dùng vi điều khiển PIC16F887, mạch đồng bộ tín hiệu và mạch cách ly driver.
- Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình nhúng cho PIC16F887 để điều khiển phát xung kích thay đổi góc kích $\alpha$, phục vụ mục đích chỉnh lưu và ổn định mức điện áp ngõ ra của mạch công suất.
- Lập lưu đồ giải thuật và viết chương trình trên máy tính bằng ngôn ngữ Visual Basic 2010 để truyền/nhận dữ liệu góc kích và yêu cầu đọc giá trị điện áp từ vi điều khiển.
- Thiết kế giao diện đồ họa (GUI) trên máy tính bằng Visual Basic 2010 hiển thị trạng thái cổng COM, giá trị góc kích, mức điện áp ngõ ra và cho phép lựa chọn chế độ điều khiển.
- Thi công mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng, chạy thử nghiệm trên tải thực tế, cân chỉnh hệ thống và đánh giá kết quả thực nghiệm.
- Viết báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển dùng SCR, hệ thống điều khiển nhúng trên vi điều khiển PIC16F887 và phần mềm giao diện máy tính viết bằng Visual Basic 2010.
- Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống sử dụng nguồn điện 3 pha $220/380\text{ VAC}$ đấu hình sao (điện áp mỗi pha so với dây trung tính là $220\text{ VAC}$). Dải điện áp ngõ ra trung bình điều khiển được từ $0\text{ V}$ đến $257,5\text{ VDC}$. Khối công suất và điều khiển được đóng gói trong hộp mica bảo vệ kích thước $30 \times 30 \times 12\text{ cm}$, sử dụng 4 cầu chì $5\text{ A}$ để bảo vệ quá dòng. Tải thử nghiệm bao gồm động cơ DC thông số $0\text{--}220\text{ V} - 100\text{ W}$ và 2 tải đèn $220\text{ V} - 40\text{ W}$.
- Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 30/03/2017 đến ngày 20/07/2017 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất, kỹ thuật vi điều khiển và lập trình truyền thông máy tính:
- Vi điều khiển Microchip PIC16F887: Hoạt động với thạch anh tần số $20\text{ MHz}$ (chu kỳ lệnh $200\text{ ns}$), kiến trúc tập lệnh RISC, tích hợp 35 chân xuất nhập (I/O). Vi điều khiển sở hữu bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 10-bit với 14 kênh ngõ vào đa hợp (sử dụng các thanh ghi ADRESH, ADRESL, các bit điều khiển ADON, GO/DONE và chọn nguồn xung qua các bit ADCS). Hệ thống định thời gồm Timer0 (8-bit), Timer1 (16-bit với các thanh ghi TMR1H, TMR1L, T1CON) và Timer2 (8-bit kết hợp thanh ghi chu kỳ PR2 và thanh ghi cấu hình T2CON). Khối ngắt được quản lý qua các thanh ghi INTCON, PIE1, PIR1, PIE2, PIR2 phục vụ xử lý tín hiệu đồng bộ và định thời phát xung.
- Giao tiếp nối tiếp EUSART/UART: Hệ thống sử dụng khối EUSART của PIC16F887 hoạt động ở chế độ truyền nhận bất đồng bộ song công với tốc độ baud chuẩn $9600\text{ bps}$. Các thanh ghi quản lý gồm TXSTA (trạng thái khối phát), RCSTA (trạng thái khối nhận) và BAUDCTL (điều khiển tốc độ baud). Tín hiệu được chuyển đổi mức logic TTL sang chuẩn nối tiếp máy tính thông qua vi mạch MAX232 hoặc cáp chuyển đổi PL2303.
- Linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR): Cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn P-N-P-N tạo thành 3 tiếp giáp P-N nội bộ, tương đương 2 transistor BJT loại NPN và PNP ghép phức hợp. SCR mở dẫn khi được phân cực thuận ($U_{AK} > 0$) và có xung dòng điện $I_G$ đủ lớn đưa vào cực cổng. Khi đã dẫn, SCR duy trì trạng thái cho đến khi dòng qua linh kiện nhỏ hơn dòng duy trì ($I_H$). Mạch bảo vệ RC mắc song song cực A-K của SCR nhằm dập xung điện áp ngược và hạn chế tốc độ tăng áp $du/dt$, ngăn ngừa hiện tượng tự kích do dòng điện nạp qua tụ điện ký sinh nội bộ của SCR.
- Mạch cách ly và mạch kích: Sử dụng bộ ghép quang Opto PC817 kết hợp transistor PNP (loại A1013) để cách ly hoàn toàn giữa mạch điều khiển vi xử lý điện áp thấp ($+5\text{ V}$) và mạch công suất điện áp cao ($220\text{ VAC}$), bảo đảm an toàn cho khối điều khiển.
- Động cơ điện một chiều (DC Motor): Khảo sát cấu tạo stator, rotor, đặc tính cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi điện áp cấp vào phần ứng thông qua góc kích $\alpha$ của mạch chỉnh lưu.
- Nguyên lý chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển: Phân tích hoạt động của 3 SCR cấp nguồn từ 3 pha lệch nhau $120^\circ$ trên các dạng tải thuần trở (R), tải cảm (RL) và tải có sức điện động phản kháng (RLE) ở cả chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn khi góc kích $\alpha$ thay đổi từ $0^\circ$ đến $150^\circ$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phương pháp phân tích và tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán dòng, áp danh định để lựa chọn linh kiện bán dẫn (SCR TYN1225, Diode 1N4007, IC ổn áp 7805), tính toán thông số mạch dập xung RC và cấu hình các khối đồng bộ pha.
- Phương pháp lập trình nhúng và thiết kế giao diện phần mềm: Sử dụng trình biên dịch CCS C Compiler để lập trình cho vi điều khiển PIC16F887, nạp chương trình bằng mạch nạp PICKit2; sử dụng Microsoft Visual Studio 2010 (ngôn ngữ Visual Basic 2010) để thiết kế giao diện đồ họa máy tính.
- Phương pháp thực nghiệm đo đạc và kiểm tra: Thi công mạch in PCB thực tế cho từng khối, đấu nối tổng thể, kiểm tra dạng sóng xung kích, đo đạc điện áp ngõ ra tại các mốc góc kích $\alpha$ ($0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ, 120^\circ, 150^\circ$) bằng đồng hồ đo và đối chiếu với kết quả tính toán lý thuyết.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm các khối chức năng liên kết chặt chẽ:
| Khối chức năng |
Linh kiện / Công nghệ chính |
Chức năng kỹ thuật trong hệ thống |
| Khối nguồn và biến áp |
Nguồn 3 pha $220/380\text{ VAC}$, máy biến áp hạ áp, IC 7805 |
Cung cấp nguồn 3 pha cho mạch công suất và hạ áp tạo nguồn nuôi $+5\text{ VDC}$ cho mạch điều khiển. |
| Khối đồng bộ pha |
Diode 1N4007, điện trở, Opto PC817 |
Phát hiện điểm chuyển mạch tự nhiên của 3 pha (A, B, C) đưa tín hiệu ngắt về vi điều khiển. |
| Khối xử lý trung tâm |
Vi điều khiển PIC16F887 ($20\text{ MHz}$) |
Xử lý ngắt đồng bộ, định thời phát xung kích bằng Timer, đọc điện áp ADC và giao tiếp UART. |
| Khối mạch kích & cách ly |
Opto quang PC817, Transistor A1013 (PNP) |
Cách ly quang giữa mạch logic và mạch công suất, khuếch đại dòng xung kích vào chân G của SCR. |
| Khối công suất chỉnh lưu |
3 SCR TYN1225, mạch dập xung RC |
Biến đổi điện áp 3 pha xoay chiều thành điện áp DC có điều khiển cấp cho tải. |
| Khối giao tiếp máy tính |
IC MAX232 / Module cáp PL2303, cổng COM |
Chuyển đổi mức tín hiệu UART sang chuẩn giao tiếp nối tiếp máy tính với tốc độ 9600 baud. |
| Khối điều khiển ngoại vi |
Biến trở ngoài, nút bấm chuyển chế độ |
Cung cấp tín hiệu điện áp tương tự về chân ADC để điều chỉnh góc kích bằng tay. |
| Khối giao diện máy tính |
Visual Basic 2010 (Microsoft Visual Studio) |
Hiển thị thông số điện áp, góc kích $\alpha$, cổng COM và điều khiển góc kích qua chế độ tự động/máy tính. |
| Khối bảo vệ và đóng gói |
4 cầu chì $5\text{ A}$, hộp mica $30 \times 30 \times 12\text{ cm}$ |
Bảo vệ quá dòng cho 3 pha và trung tính; cách điện, chống chạm chập với điện áp $220/380\text{ VAC}$. |
Quy trình vận hành và điều khiển hệ thống:
- Vi điều khiển nhận tín hiệu đồng bộ từ các pha thông qua các chân ngắt. Khi phát hiện thời điểm bắt đầu chu kỳ, chương trình khởi động bộ định thời (Timer) để trễ một khoảng thời gian tương ứng với góc kích $\alpha$ yêu cầu.
- Hết thời gian trễ, vi điều khiển xuất tín hiệu mức thấp kích mở Opto PC817, làm transistor PNP A1013 dẫn bão hòa, cấp dòng xung kích vào cực cổng G của SCR tương ứng trong nhánh công suất.
- Điện áp ngõ ra sau khi chỉnh lưu được trích mẫu đưa về kênh ADC của vi điều khiển PIC16F887 để chuyển đổi sang giá trị số 10-bit.
- Dữ liệu điện áp được vi điều khiển đóng gói và gửi lên máy tính qua giao tiếp EUSART (chân RC6/TX, RC7/RX).
- Trên giao diện Visual Basic 2010, người vận hành có thể giám sát giá trị điện áp thực tế và lựa chọn 2 phương thức điều khiển:
- Điều khiển bằng tay (Manual): Sử dụng núm xoay biến trở ngoài kết nối với kênh ADC của PIC16F887 để trực tiếp thay đổi góc kích $\alpha$.
- Điều khiển bằng máy tính (Auto): Nhập góc kích $\alpha$ hoặc điện áp mong muốn trên phần mềm; máy tính gửi lệnh mã ASCII xuống vi điều khiển qua cổng COM để tự động thiết lập thời gian phát xung kích.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành điện tử công suất trong việc cung cấp nguồn điện một chiều cho các thiết bị công nghiệp và hệ thống truyền động điện. Tác giả nêu rõ hạn chế của đề tài khóa trước ("Đồng bộ SCR bằng vi xử lí") khi chỉ dừng lại ở mặt lý thuyết đồng bộ mà chưa thi công được phần cứng. Từ đó, xác định mục tiêu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển bằng vi điều khiển PIC16F887 kết nối máy tính. Chương này cũng phân định rõ 6 nội dung công việc cần thực hiện, giới hạn phạm vi đề tài (nguồn 3 pha $220/380\text{ VAC}$, điện áp ra $0\text{--}257,5\text{ VDC}$, hộp mica $30 \times 30 \times 12\text{ cm}$, tải động cơ DC $100\text{ W}$ và đèn $40\text{ W}$) và bố cục gồm 6 chương của báo cáo.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tổng quan tài liệu
Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết chi tiết về phần cứng và phần mềm sử dụng trong đồ án:
- Cấu trúc vi điều khiển PIC16F887: Khảo sát sơ đồ chân, cấu hình CPU, các thanh ghi điều khiển bộ định thời Timer0 (INTCON), Timer1 (T1CON, TMR1H, TMR1L), Timer2 (T2CON, PR2) và module ADC 10-bit.
- Truyền thông nối tiếp UART và khối EUSART: Phân tích cơ chế truyền dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ, cấu trúc các thanh ghi TXSTA, RCSTA, BAUDCTL và tập lệnh truyền nhận (
setup_uart, puts, getc, kbhit) trong lập trình C.
- Hệ thống ngắt của PIC16F887: Chi tiết chức năng từng bit trong các thanh ghi INTCON, PIE1, PIR1, PIE2, PIR2 phục vụ xử lý ngắt ngoài và ngắt timer.
- Linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR): Cấu tạo P-N-P-N, đặc tính V-A, điều kiện kích mở, dòng duy trì $I_H$, mạch kích bằng biến áp xung và bằng opto cách ly, mạch dập xung bảo vệ RC chống hiện tượng tự kích do $du/dt$, quy trình đo kiểm tra SCR còn hoạt động hay hư hỏng bằng ôm kế.
- Động cơ điện một chiều: Cấu tạo stator, rotor, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
- Lý thuyết mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển: Phân tích dạng sóng ngõ ra trên tải thuần trở R khi góc kích $\alpha$ thay đổi ($0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ, 150^\circ$) và trên tải cảm RL, RLE ở chế độ dòng liên tục và dòng gián đoạn.
- Giới thiệu phần mềm Visual Basic 2010 trong việc thiết kế giao diện người dùng và xử lý giao tiếp nối tiếp qua cổng COM.
Chương 3: Vật liệu, thiết kế và tính toán
Chương 3 tập trung tính toán và thiết kế chi tiết từng khối mạch chức năng:
- Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống và thiết lập quan hệ tín hiệu giữa các khối.
- Tính toán và thiết kế khối chỉnh lưu tia 3 pha sử dụng 3 SCR TYN1225 kết hợp mạch bảo vệ RC mắc song song từng linh kiện.
- Thiết kế mạch đồng bộ tách biệt cho 3 pha (pha A, pha B, pha C) sử dụng diode và opto cách ly để tạo xung vuông đồng bộ đưa về vi điều khiển.
- Thiết kế mạch kích và cách ly driver cho từng SCR sử dụng Opto PC817 kết hợp transistor PNP A1013 và tụ chống tự kích.
- Thiết kế khối xử lý trung tâm dùng PIC16F887, mạch tạo dao động thạch anh $20\text{ MHz}$, khối ổn áp nguồn nuôi $+5\text{ VDC}$ dùng IC 7805.
- Thiết kế khối chiết áp điều khiển bằng tay, khối mạch đo điện áp hồi tiếp qua ADC, khối máy biến áp hạ áp và sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
- Giới thiệu các công cụ phần mềm hỗ trợ thiết kế và lập trình.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 4 trình bày toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:
- Thiết kế mạch in (PCB) và sắp xếp linh kiện cho từng khối: khối công suất SCR, khối mạch điều khiển vi xử lý, khối mạch đồng bộ và khối mạch kích driver.
- Quy trình lắp ráp phần cứng, lắp đặt biến áp nguồn, núm xoay biến trở, 4 cầu chì bảo vệ $5\text{ A}$, module chuyển đổi USB-UART PL2303 và đóng gói toàn bộ mô hình trong khung hộp mica.
- Lập trình hệ thống vi điều khiển: Hướng dẫn cài đặt và sử dụng trình biên dịch CCS C Compiler, quy trình tạo project, cấu hình PIC16F887, viết thuật toán điều khiển và nạp chương trình thông qua phần mềm PICKit2 Programmer.
- Lập trình giao diện máy tính: Sử dụng Visual Studio 2010 thiết kế giao diện đồ họa Visual Basic 2010, cấu hình kết nối cổng COM5, tốc độ 9600 baud, viết code xử lý sự kiện truyền/nhận dữ liệu mã ASCII.
- Biên soạn tài liệu hướng dẫn sử dụng, các bước đấu nối nguồn 3 pha, cấp nguồn cho tải và quy trình thao tác an toàn khi vận hành mạch.
Chương 5: Kết quả và thảo luận (Kết quả_Nhận xét_Đánh giá)
Chương 5 trình bày kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện mô hình:
- Trình bày hình ảnh mô hình phần cứng hoàn chỉnh sau khi thi công và giao diện phần mềm điều khiển đã kết nối thành công với máy tính.
- Khảo sát dạng sóng điện áp ngõ ra thực tế trên tải ở các góc kích $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ, 120^\circ, 150^\circ$.
- Lập bảng thống kê đối chiếu giữa điện áp tính toán lý thuyết và điện áp thực tế đo đạc được trên mạch công suất khi thay đổi góc kích $\alpha$.
- Đưa ra các nhận xét, đánh giá về độ ổn định của mạch phát xung kích, độ chính xác của góc kích và mức độ đáp ứng của phần mềm giám sát.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết các kết quả đã đạt được của đề tài, khẳng định việc hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế, thi công phần cứng và phần mềm giao tiếp máy tính. Đồng thời, chỉ ra các hạn chế hiện tại (mạch mới chỉ áp dụng cho sơ đồ tia 3 pha) và đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra với các kết quả cụ thể:
- Chế tạo thành công mô hình phần cứng mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển hoạt động ổn định với nguồn cấp 3 pha $220/380\text{ VAC}$, bảo đảm an toàn điện thông qua hệ thống cách ly quang Opto PC817, 4 cầu chì $5\text{ A}$ và vỏ bảo vệ mica kích thước $30 \times 30 \times 12\text{ cm}$.
- Lập trình hoàn chỉnh vi điều khiển PIC16F887 thực hiện chính xác việc bắt tín hiệu đồng bộ lưới điện, định thời phát xung kích mở các SCR TYN1225 theo góc kích $\alpha$ mong muốn và đo điện áp hồi tiếp qua bộ biến đổi ADC 10-bit.
- Xây dựng thành công phần mềm giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính bằng Visual Basic 2010 kết nối qua cổng nối tiếp (tốc độ 9600 baud), cung cấp 2 chế độ vận hành linh hoạt (điều khiển bằng tay qua biến trở ngoài và điều khiển bằng máy tính).
- Đo đạc thực nghiệm và đối chiếu số liệu điện áp ngõ ra trung bình ($U_d$) trên tải thuần trở theo các giá trị góc kích $\alpha$:
| Góc kích $\alpha$ ($^\circ$) |
Điện áp lý thuyết ($U_{d\text{ (LT)}}$ - V) |
Điện áp thực tế đo được ($U_{d\text{ (TT)}}$ - V) |
Nhận xét dạng sóng và sai số |
| $0^\circ$ |
$257,5$ |
Gần $257,5$ |
SCR dẫn hoàn toàn trong nửa chu kỳ dương của từng pha, điện áp ngõ ra đạt cực đại. |
| $30^\circ$ |
Giảm dần theo công thức lý thuyết |
Đo đạc thực tế trên tải |
Dạng sóng bắt đầu bị cắt ở phần đầu chu kỳ dẫn. |
| $60^\circ$ |
Giảm tương ứng theo $\cos\alpha$ |
Đo đạc thực tế trên tải |
Mức điện áp trung bình giảm rõ rệt, SCR chuyển mạch ổn định. |
| $90^\circ$ |
Giảm sâu |
Đo đạc thực tế trên tải |
Điện áp ngõ ra giảm xuống mức thấp. |
| $120^\circ$ |
Rất nhỏ |
Đo đạc thực tế trên tải |
Xung điện áp ngõ ra hẹp. |
| $150^\circ$ |
Tiến dần về $0$ |
Xấp xỉ $0$ |
Mạch tiến tới giới hạn khóa hoàn toàn điện áp chỉnh lưu trên tải thuần trở. |
Đóng góp của đề tài so với nghiên cứu trước:
- Khắc phục triệt để hạn chế của đề tài khóa trước ("Đồng bộ SCR bằng vi xử lí" vốn chỉ dừng lại ở mức mô phỏng/lý thuyết) bằng việc thi công hoàn thiện thành một sản phẩm phần cứng thực tế có thể vận hành và đo đạc trực tiếp.
- Tích hợp thành công giải pháp điều khiển góc kích số hóa trên vi điều khiển PIC16F887 kết hợp phần mềm giám sát thời gian thực trên PC, giúp việc quan sát, quản lý và điều chỉnh điện áp ngõ ra trở nên trực quan, chính xác và tiết kiệm chi phí so với các bộ điều khiển tương tự truyền thống.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận:
- Phạm vi điều khiển của hệ thống hiện tại mới chỉ áp dụng cho một sơ đồ chỉnh lưu duy nhất là mạch chỉnh lưu tia 3 pha.
- Hệ thống vận hành theo vòng hở đối với việc điều khiển góc kích qua giao diện máy tính, chưa triển khai trọn vẹn thuật toán điều khiển tự động vòng kín (Closed-loop PID) để ổn định chính xác điện áp ngõ ra khi tải thay đổi đột ngột.
Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:
- Mở rộng phần cứng và giải thuật điều khiển phát xung trên vi điều khiển để ứng dụng cho nhiều cấu hình mạch chỉnh lưu công suất phức tạp hơn như mạch chỉnh lưu cầu 3 pha (cầu 6 SCR) và mạch chỉnh lưu tia 6 pha.
- Nâng cấp chương trình nhúng và giao diện giám sát để hỗ trợ tự động ổn định điện áp theo giá trị đặt (Set-point) khi dòng điện tải dao động.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Điện tử Công suất và Kỹ thuật Tự động hóa:
- Tham khảo về thiết kế phần cứng: Cung cấp sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh và phương pháp tính toán, lựa chọn linh kiện cho các mạch phát hiện điểm đồng bộ pha, mạch kích cách ly quang dùng Opto PC817 và Transistor PNP, mạch dập xung RC bảo vệ Thyristor chống hiện tượng tự kích do $du/dt$.
- Tham khảo về kỹ thuật lập trình nhúng: Cung cấp cấu trúc thanh ghi, giải thuật xử lý ngắt đồng bộ, định thời Timer và cấu hình module ADC, EUSART trên dòng vi điều khiển PIC16F887 bằng trình biên dịch CCS C.
- Tham khảo về giao tiếp máy tính: Cung cấp phương pháp thiết kế giao diện điều khiển và xử lý truyền thông qua cổng COM bằng Microsoft Visual Basic 2010, phù hợp cho các đề tài xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và giám sát điều khiển thiết bị công suất từ xa.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao mạch điều khiển phát xung kích cho SCR phải sử dụng Opto quang PC817 kết hợp Transistor A1013 thay vì kích trực tiếp từ vi điều khiển?
Vi điều khiển PIC16F887 hoạt động ở mức điện áp logic thấp ($+5\text{ VDC}$) và dòng ngõ ra hạn chế, trong khi mạch công suất làm việc trực tiếp với lưới điện 3 pha $220/380\text{ VAC}$. Việc sử dụng Opto quang PC817 giúp cách ly hoàn toàn về mặt điện học giữa hai khối, ngăn ngừa điện áp cao hay các xung gai điện áp ngược từ mạch công suất tràn về phá hỏng vi điều khiển. Transistor PNP A1013 đóng vai trò phần tử khuếch đại công suất đệm, cung cấp xung dòng kích đủ lớn vào chân G của SCR TYN1225 để bảo đảm linh kiện dẫn bão hòa chắc chắn.
2. Nguyên nhân và giải pháp chống hiện tượng tự kích trên linh kiện SCR trong đồ án là gì?
Hiện tượng tự kích xảy ra do trong cấu trúc bán dẫn của SCR tồn tại một tụ điện ký sinh nối giữa hai cực B nội bộ của hai transistor tương đương. Khi tốc độ biến thiên điện áp ($du/dt$) đặt lên cực A-K tăng nhanh, dòng điện nạp qua tụ ký sinh ($i = C \cdot du/dt$) có thể đạt giá trị đủ lớn để kích dẫn linh kiện ngoài ý muốn. Để khắc phục, đề tài sử dụng mạch dập xung RC mắc song song cực A-K của SCR nhằm giảm tốc độ tăng áp $du/dt$, đồng thời mắc thêm tụ điện và điện trở tại chân G để triệt tiêu các xung áp nhiễu kích nhầm.
3. Vi điều khiển PIC16F887 thực hiện việc tạo góc kích $\alpha$ và đo điện áp hồi tiếp bằng các khối ngoại vi nào?
Vi điều khiển nhận tín hiệu đồng bộ từ lưới điện qua chân ngắt ngoài để xác định thời điểm bắt đầu chu kỳ. Sau đó, các bộ định thời (Timer1/Timer2) được kích hoạt để tạo khoảng thời gian trễ tương ứng với góc kích $\alpha$ ($0^\circ\text{--}150^\circ$) trước khi xuất xung kích qua cổng xuất dữ liệu. Để đo điện áp hồi tiếp từ mạch công suất, PIC16F887 sử dụng bộ biến đổi ADC 10-bit nội bộ đọc điện áp trích mẫu qua các chân ngõ vào tương tự (AN0--AN13) và lưu kết quả vào cặp thanh ghi ADRESH:ADRESL trước khi gửi lên máy tính qua cổng EUSART.
4. Hai chế độ vận hành trên giao diện Visual Basic 2010 hoạt động như thế nào?
Giao diện phần mềm cung cấp 2 phương thức điều khiển:
- Chế độ điều chỉnh bằng tay (Manual): Người dùng xoay biến trở ngoài gắn trên mô hình phần cứng; điện áp biến trở được kênh ADC của PIC16F887 đọc và chuyển thành góc kích $\alpha$ điều khiển SCR; giá trị góc kích và điện áp ngõ ra sau đó được truyền ngược lên hiển thị trên giao diện máy tính.
- Chế độ điều chỉnh bằng máy (Auto/PC): Người dùng trực tiếp nhập giá trị góc kích $\alpha$ hoặc điện áp mong muốn trên giao diện Visual Basic 2010; phần mềm sẽ gửi chuỗi lệnh mã ASCII qua cổng COM (tốc độ 9600 baud); vi điều khiển nhận lệnh qua khối EUSART và tự động căn chỉnh thời gian trễ của Timer để phát xung kích.
5. Hệ thống trang bị các giải pháp nào để bảo đảm an toàn điện khi vận hành với nguồn 3 pha 220/380VAC?
Hệ thống được bảo vệ đa tầng gồm: 4 cầu chì $5\text{ A}$ lắp đặt trên 3 dây pha và 1 dây trung tính để tự động ngắt nguồn khi xảy ra ngắn mạch hoặc quá dòng; toàn bộ mạch công suất và mạch điều khiển được bao bọc bên trong khung hộp mica kín kích thước $30 \times 30 \times 12\text{ cm}$ nhằm ngăn ngừa sự cố tiếp xúc trực tiếp với điện áp cao; các tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng bộ đều được cách ly quang bằng Opto PC817.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng vi điều khiển giao tiếp với máy tính" đã hoàn thành trọn vẹn từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển PIC16F887 cho đến xây dựng phần mềm giao diện giám sát trên Visual Basic 2010. Hệ thống đã được thi công thành mô hình thực tế, vận hành ổn định trên nguồn điện 3 pha $220/380\text{ VAC}$ và điều khiển thành công mức điện áp ngõ ra trên tải động cơ DC và tải đèn với dải điện áp $0\text{--}257,5\text{ VDC}$ thông qua việc thay đổi góc kích $\alpha$. Kết quả nghiên cứu đã giải quyết triệt để hạn chế chưa có phần cứng của các đề tài trước đó, mang lại giá trị tham khảo học thuật và kỹ thuật thực tiễn cao cho công tác đào tạo, nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất và tự động hóa.
