Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500w

TÓM TẮT Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài nghịch lưu hòa lưới năng lượng mặt trời, cùng với việc nắm bắt xu thế của việc tái tạo năng lượng sạch hiện nay nhóm đã thực hi

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W

GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc

16341019 Bùi Thành Đạt

16341008

Tp Hồ Chí Minh - 1/2018

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI

ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W

GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI SVTH: Lê Cao Ngọc Phúc

16341019 Bùi Thành Đạt

16341008

Tp Hồ Chí Minh - 1/2018

TRƯỜNG ĐH.SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp.HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI

CÔNG SUẤT NHỎ HƠN 500W”

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Các tài liệu và thông số cần thiết về bộ nghịch lưu, điều chế PWM, mạch DC-DC

và nguyên lý đồng bộ lưới điện…

2 Nội dung thực hiện:

Nội dung 1: Phân tích Bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất

Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều

Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha

Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC/DC

Nội dung 5: Lập trình điều khiển

Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

1, 2 & 3 Tìm và đọc hiểu các tài liệu liên quan:

Tài liệu điện tử công suất (linh kiện bán dẫn, nguyên lí mạch boots điện áp, nghịch lưu 1 pha)

4, 5 & 6 Mô phỏng mạch boots điện áp đơn giản

Tìm hiểu tạo xung PWM

7 &8 Thiết kế sơ đồ nguyên lí mạch boots DC-DC

Thiết kế sơ đồ nguyên lí nghịch lưu cầu 1 pha

Lập trình mô phỏng

9 & 10 Thiết kế sơ đồ nguyên lí cho các khối cần thiết

(mạch nguồn ±15VDC, hồi tiếp…) Tìm hiểu mạch kích và cách ly

10 & 11 Thi công board mạch, kết nối linh kiện và các

khối lại với nhau

Tìm hiểu Card điều khiển DSP TMS320F28335

12 & 13 Chạy thử nghiệm hệ thống

Kiểm tra sai sót

Viết báo cáo

14 & 15 Chạy hệ thống lấy kết quả thực nghiệm

Viết báo cáo

Bảo vệ đồ án

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

iv

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng

dẫn của TS Quách Thanh Hải Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong đề

tài là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2018

Người thực hiện đề tài

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Quách Thanh Hải – Các Thầy, Cô bộ môn Điện

Tử Công Nghiệp, Phòng thí nghiệm D405 đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài

Do kiến thức còn hạn chế nên có nhiều thiếu sót, trong quá trình nghiên cứu đề tài được Thầy chỉ dạy những chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm của mình khi nhóm gặp vấn đề trong thực nghiệm Em xin cảm ơn thầy

Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện – Tử đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405 tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp 163410A đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài

Trong quá trính nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

LÊ CAO NGỌC PHÚC BÙI THÀNH ĐẠT

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Liệt kê hình vẽ vii

Liệt kê bảng vẽ viii

Tóm tắt ix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 3

1.3 NỘI DỤNG THỰC HIỆN 3

1.4 GIỚI HẠN 4

1.5 BỐ CỤC 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 NGUYÊN TẮC NGHỊCH LƯU MỘT PHA 5

2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi 5

2.1.2 Sơ đồ nửa cầu 6

2.1.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ phận nghịch lưu áp 8

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM 8

2.2.1 Mô tả kĩ thuật PWM 8

2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM 11

2.4 BIẾN ĐỒI DC-DC TĂNG ÁP 12

2.4.1 Nguyên lý hoạt động 12

2.5 NGUYÊN LÝ ĐỒNG BỘ LƯỚI 14

2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 14

2.6.1 Pin năng lượng mặt trời 14

2.6.2 Các linh kiện phục vụ nghịch lưu 15

2.6.3 Mạch kích 17

2.6.4 Card DSP 320F28335- Thiết bị xử lý trung tâm 19

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 22

3.1 GIỚI THIỆU 22

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 22

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 23

3.3 KẾT NỐI PHẦN CỨNG 41

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.2 GIÁ ĐỠ PIN MẶT TRỜI 43

4.3 THI CÔNG CÁC KHỐI MẠCH ĐIỆN 43

4.3.1 Mạch nguồn ±15VDC 44

4.3.2 Mạch nguồn 5VDC 45

4.3.3 Mạch kích 46

4.3.4 Mạch đo 48

4.3.5 Mạch boost điện áp từ pin mặt trời 50

4.3.6 Mạch nghịch lưu cầu 52

4.4 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 53

4.4.1 Mạch boost điện áp DC-DC 53

4.4.2 Mạch nghịch lưu cầu 56

4.4.3 Lập trình tạo tín hiệu đồng bộ 60

4.5 KẾT NỐI CÁC KHỐI CHƯƠNG TRÌNH VÀ PHẦN CỨNG 62

4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN 63

4.6.1 Tạo file CCS và nạp code cho vi điều khiển 63

4.6.2 Quy trình thao tác chạy hệ thống 65

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 66

5.1 NGUYÊN TẮC MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 66

5.2 ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 66

5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM PIN MẶT TRỜI 66

5.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH BOOST DC-DC 67

5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU

76

5.6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM GIẢI THUẬT TẠO ĐIỆN ÁP 82

5.7 KẾT LUẬN 84

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 85

6.1 KẾT LUẬN 85

6.1.1 Các vấn đề đã thực hiện được 85

6.1.2 Các vấn đề chưa thực hiện được 85

6.1.1 Nguyên nhân 85

6.2 CÁC KẾT LUẬN KHOA HỌC RÚT RA 86

6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC…… 90

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi 5

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu 6

Hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp 8

Hình 2.4 Mạch điều chế PWM 9

Hình 2.5 Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu 10

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM 11

Hình 2.7 Dạng sóng PWM ngõ ra 11

Hình 2.8 Mạch tăng áp DC-DC 12

Hình 2.9 Mạch ở trạng thái Switch S đóng 12

Hình 2.10 Mạch ở trạng thái Switch S mở 13

Hình 2.11 Mô hình hòa lưới từ pin mặt trời 14

Hình 2.12 BJT, MOSFET và IGBT 15

Hình 2.13 Cấu trúc của IGBT 16

Hình 2.14 Hình ảnh thực tế và ký hiệu IGBT FGA25N120 17

Hình 2.15 Card DSP TMS320F28335 19

Hình 2.16 Giao diện khởi động Code Composer Studio 19

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 23

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha 24

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch kích 27

Hình 3.4 Phần mạch lái cho IGBT nhánh trên 27

Hình 3.5 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK1 dẫn 28

Hình 3.6 Chiều dòng điện khi ghép nối quang OK2 dẫn 29

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch DeadTime 30

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí mạch kích 31

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý nguồn 5VDC 32

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ± 15VDC 33

Hình 3.11 Mạch DC-DC tăng áp 34

Hình 3.12 Mạch hoạt động khi Switch mở 34

Hình 3.13 Mạch hoạt động khi Switch đóng 35

Hình 3.14 Mạch lọc LC 36

Hình 3.15 Giá trị THD ở ngõ ra nghịch lưu 37

Hình 3.16 Dạng sóng điện áp hồi tiếp mong muốn 37

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp pin mặt trời 38

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp DC-DC 39

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến điện áp lưới T1,T2 40

Hình 3.20 Sơ đồ phần cứng hệ thống 41

Hình 4.1 Pin mặt trời cung cấp nguồn cho thực nghiệm 43

Hình 4.2 Hình mạch nguồn ±15VDC thực tế 45

Hình 4.3 Hình mạch nguồn 5VDC 46

Hình 4.4 Mạch kích 47

Hình 4.5 Mạch hồi tiếp áp pin mặt trời 48

Hình 4.6 Mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost 49

Hình 4.7 Mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC 50

Hình 4.8 Kết nối các linh kiện mạch boost DC-DC 51

Hình 4.9 Mạch nghịch lưu cầu 52

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lí mạch boost DC-DC 53

Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật mạch boost DC-DC tự ổn định áp ra 54

Hình 4.12 Kết quả mô phỏng mạch boost DC-DC 55

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu cầu 56

Hình 4.14 Thông số cài đặt cho PWM nghịch lưu 56

Hình 4.15 Kết nối bộ PWM, mạch kích và cực cổng các IGBT (a), sóng mang (b) 57

Hình 4.16 Dạng sóng Vsin và dạng sóng điện áp Ut 57

Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật nghịch lưu 59

Hình 4.18 Mô phỏng mạch nghịch lưu cầu 59

Hình 4.19 Dạng xung PWM và điện áp ra nghịch lưu trên mô phỏng 60

Hình 4.20 Lưu đồ điều khiển đồng bộ 61

Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lí mô phỏng đồng bộ 62

Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng hệ thống 62

Hình 4.23 Phần cứng toàn bộ hệ thống 62

Hình 4.24 Sơ đồ thực hiện chạy hệ thống 65

Hình 5.1 Hình mô phỏng tự ổn định áp ra trên Psim ở mức 250VDC 67

Hình 5.2 Thực nghiệm giải thuật ổn định điện áp so với đặt 1 hằng số chỉ số điều chế khi ánh sáng không thay đổi 67

Hình 5.3 Thực nghiệm giải thuật ổn định điện áp so với đặt 1 hằng số chỉ số điều chế khi ánh sáng thay đổi 68

Hình 5.4 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 150VDC 70

Hình 5.5 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 160VDC 71

Hình 5.6 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 180VDC 72

Hình 5.7 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 200VDC 73

Hình 5.8 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thây đổi độ sáng ở mức điện áp

đặt 220VDC 74

Hình 5.9 Dạng xung kích của mạch boost DC-DC khi thay đổi độ sáng ở mức điện áp đặt 250VDC 75

Hình 5.10 Dạng xung kích trên 4 IGBT bộ nghịch lưu khi mô phỏng điện áp DC-DC 76

Hình 5.11 Dạng sóng điện áp ra và sóng Sine nghịch lưu mô phỏng ở điện áp DC-DC 77 Hình 5.12 Dạng điện áp Ut , THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 150VDC 78

Hình 5.13 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 175VDC 79

Hình 5.14 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 200VDC 80

Hình 5.15 Dạng điện áp Ut, THD và sóng Sin ở điện áp DC boost 250VDC 81

Hình 5.16 Mô phỏng khả năng bám của điện áp nghịch lưu với lưới 82

Hình 5.17 Dạng sóng Sin đồng bộ khi có nối tải ra sau máy biến áp 83

Hình 5.18 Dạng sóng Sin đồng bộ khi không nối tải ra sau máy biến áp 83

DANH MỤC BẢNG

Bảng Trang

Bảng 2 1 Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu 7

Bảng 2 2 Bảng trạng thái nghịch lưu cầu 8

Bảng 2 3 Bảng thông số pin mặt trời sử dụng 17

Bảng 2 4 Một số thông số của FGA25N120ANTD 20

Bảng 3 1 Thông số cơ bản của IGBT FGA25N120 26

Bảng 3 2 Khảo sát tổng dòng điện tiêu thụ nguồn 5V 32

Bảng 4.1: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn ±15VDC 44

Bảng 4.2: Linh kiện sử dụng cho mạch nguồn 5VDC 45

Bảng 4.3: Linh kiện sử dụng trong mạch kích 46

Bảng 4.4: Linh kiện sử dụng mạch hồi tiếp pin mặt trời 48

Bảng 4.5: Linh kiện sử dụng trong mạch hồi tiếp điện áp DC-DC boost 48

Bảng 4.6: Linh kiện sử dụng trong mạch hồi tiếp áp từ máy biến áp AC 49

Bảng 4.7: Linh kiện sử dụng cho mạch boost DC-DC 50

TÓM TẮT

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài nghịch lưu hòa lưới năng lượng mặt trời, cùng với việc nắm bắt xu thế của việc tái tạo năng lượng sạch hiện nay nhóm đã thực hiện đề tài nhằm mục đích thực nghiệm các lý thuyết đã được học

Đề tài “Nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới điện mặt trời công suất nhỏ hơn 500W” là

sự tìm hiểu chuyên sâu về bộ nghịch lưu 1 pha PWM, bộ biến đổi điện áp một chiều và giải thuật ổn định điện áp

Với ý tưởng thêm bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu, nhằm tránh việc mắc nối tiếp nhiều tấm pin đồng thời tăng công suất của hệ thống, vì yếu tố tài chính và điều kiện thi công chưa cho phép, nên đề tài này chỉ dừng lại ở việc sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời (công suất lý tưởng 50W/tấm) để làm thí nghiệm cho hệ thống Để minh chứng cho giải thuật ổn định điện áp ngõ ra mạch tăng áp DC-DC, chúng em điều chỉnh cường độ ánh sáng giảm dần nhưng vẫn đạt được mức điện áp ổn định Điện áp ngõ ra đảm bảo tính ổn định ở tần số 50 Hz và điện áp 220V xoay chiều, với cường độ ánh sáng có thể giảm trong phạm vi cho phép là 30% Hơn nữa, chất lượng điện áp ngõ ra cũng đảm bảo dạng sin chuẩn với THD nhỏ hơn 8% phù hợp với các yêu cầu đồng bộ lưới của Nhà nước

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế, các chính trị gia và mỗi người trong chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh) và dễ sử dụng

Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như là vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí trên Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện, để chứng tỏ rằng năng lượng mặt trời không chỉ có là năng lượng của tương lai mà còn có thể ứng dụng vào hiện tại

Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho các nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên tiến để cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được coi là một giải pháp có tính chiến lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung quang trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số TTg: cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Như thế, nghịch lưu và hòa lưới năng lượng mặt trời sự kết hợp hoàn hảo cho việc phát triển

11/2017/QĐ-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

khoa học- kỹ thuật cũng như giải quyết các vần đề khó khăn về vùng sâu vùng xa của Việt Nam

Trong những năm vừa qua có khá nhiều nghiên cứu về vấn đề này Ví

dụ như đề tài “Hệ Thống Điện Mặt Trời Phục Vụ Hộ Gia Đình” của 2 tác giả

Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường; Các công bố khoa học “Phương Pháp Mới

Hòa Nguồn Năng Lượng Mặt Trời Vào Lưới Điện Phân Phối” của 2 tác giả

Trương Việt Anh và Nguyễn Bá Thuận trên tạp chí Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia TPHCM số 13 năm 2010, và “Reduction Of Switching Loss In Grid-Connected Inverters Using A Variable Switching Cycle” trên tạp

chí International Journal of Electrical Engineering & Technology (IJEET) số 6, năm

2015 của các tác giả Tran Quang-Tho, Le Thanh-Lam, và Truong Viet-Anh Trong đề tài “Hệ Thống Điện Mặt Trời Phục Vụ Hộ Gia Đình”, của 2 tác giả Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường, các tác giả đã chọn cách thực hiện nghịch lưu trực tiếp điện áp từ pin năng lượng mặt trời (không có ắc quy) rồi tăng áp lên 220VAC qua máy biến áp Ưu điểm của đề tài là loại bỏ được ắc quy từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao tuổi thọ hệ thống Hạn chế của giải pháp này là hiệu suất thấp, khó đạt điểm làm việc cực đại (MPPT) của tấm pin Kết quả là điện áp ở ngõ ra tấm pin sẽ bị suy giảm nhanh khi tăng tải từ

đó dẫn đến làm giảm công suất nghịch lưu

Với công bố khoa học “Phương Pháp Mới Hòa Nguồn Năng Lượng Mặt

Trời Vào Lưới Điện Phân Phối” của các tác giả Trương Việt Anh và Nguyễn Bá

Thuận Các tác giả cũng thực hiện nghịch lưu trực tiếp điện áp từ pin mặt trời qua điện áp AC sau đó qua máy biến áp ổn định điện áp rồi hòa vào lưới điện Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về các giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC Hạn chế của nghiên cứu này là phải sử dụng nguồn DC có biên độ lớn Do đó phải mắc nối tiếp các tấm pin với nhau nên tổng trở trong của nguồn tăng theo dẫn đến sụt áp trên nguồn lớn hiệu suất giảm Công bố này chỉ thực hiện mô phỏng trên lý thuyết và chưa được kiểm chứng qua thực nghiệm

Trong công bố khoa học “Reduction Of Switching Loss In Grid-Connected Inverters Using A Variable Switching Cycle” Các tác giả Tran Quang Tho, Le

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Thanh Lam, và Truong Viet Anh sử dụng cách tiếp cận thay đổi tần số sóng mang

để giảm số chuyển mạch ở dòng điện hoăc điện áp lớn (để giảm tổn hao) và tăng chuyển mạch ở dòng điện nhỏ (để giảm THD) Trong công bố này các tác giả đã thực hiện mô phỏng, tuy nhiên việc thực nghiệm trên mô hình thật rất khó khăn do khó có thể điều chỉnh được tần số sóng mang của các bộ PWM

Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường, giảm chi phí, tăng tuổi thọ của hệ thống thì cần phải loại bỏ các bộ ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi

hệ thống chính vì thế nhóm chúng em đề xuất đề tài “Nguyên Cứu Nghịch Lưu Hòa Lưới Điện Mặt Trời Công Suất Dưới 500W” Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC nên điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời Do đó điện áp và công suất ngõ ra không ổn định Vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm đề xuất thực hiện cải tiến bằng cách đưa thêm bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC) để tăng điện áp đưa vào nghịch lưu nhằm tránh phải mắc nối tiếp nhiều tấm pin đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống

Bên cạnh đó nhóm cũng thực hiện nghiên cứu về đồng bộ lưới phân phối (220VAC) Điều này có thể áp dụng vào mỗi hộ gia đình góp phần giảm chi phí điện của hộ gia đình và giảm chi phí của nhà nước trong việc đầu tư nguồn phát điện phục vụ phát triển đất nước

1.2 MỤC TIÊU

- Tìm hiểu về Card DSP TMS320F28335

- Tìm hiểu nghịch lưu dòng DC thành AC

- Nghiên cứu cách biến đổi điện áp một chiều

- Nghiên cứu và tìm hiểu đồng bộ lưới

- Nội dung 1: Phân tích bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất

- Nội dung 2: Nghiên cứu bộ biến đổi điện áp một chiều

- Nội dung 3: Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha

- Nội dung 4: Thiết kế bộ tăng áp DC-DC

- Nội dung 5: Lập trình điều khiển

- Nội dung 6: Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

- Nội dung 7: Viết báo cáo đồ án

- Nội dung 8: Báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

- Chỉ áp dụng với công suất nhỏ, với tấm pin có công suất dưới 500W

- Chỉ áp dụng với thông số lưới điện phân phối ở Việt Nam

- Áp dụng các tiêu chuẩn đánh giá theo TCVN

- Chưa đóng vào lưới điện, chỉ đưa ra điện áp đồng bộ với điện áp lưới điện

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày những lý luận về lý thuyết mạch, những nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu, để từ đó kết nối chúng lại và xây dựng thành hệ thống

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Chương này trình bày phần thiết kế mạch, tính toán các giá trị, thông số linh kiện, biến áp …

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày sơ đồ nguyên lí và hình ảnh thực tế các phần của hệ thống

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này đánh giá về các kết quả khoa học đạt được và các mặt hạn chế của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thiết bị nghịch lưu là thiết bị có khả năng chuyển đổi dòng điện một chiều ra dòng điện xoay chiều, có tần số có thể thay đổi được Việc phân loại nghịch lưu có thể dựa vào sơ đồ hoặc theo quá trình điện tử

Theo sơ đồ thì có nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha, theo quá trình điện tử xảy ra thì có nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng

Ở đây do đề tài nghiên cứu nghịch lưu 1 pha từ nguồn áp một chiều, nên đối tượng chính trong chương cơ sở lý thuyết là các hệ thống nghịch lưu áp một pha Nghịch lưu áp một pha có thể được thực hiện bằng các sơ đồ nghịch lưu nửa cầu, sơ

đồ cầu, sơ đồ kiểu đẩy kéo [4]

2.1.1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi

Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu dùng nguồn đôi được trình bày ở hình (2.1) Các khóa công suất S1, S2 có chức năng đóng ngắt để tạo sự thay đổi dòng điện và điện

áp trên tải Khi hai tiếp điểm này thay phiên nhau đóng ngắt, thì điện áp và dòng điện qua tải sẽ có sự thay đổi Để không bị ngắn mạch thì các khóa S1 và S2 không được trùng dẫn và để đảm bảo dòng liên tục qua tải thì tại 1 thời điểm có ít nhất một khóa dẫn Tức là nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1 hoặc 2) thì:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khi S1 dẫn, S2 không dẫn, dòng điện It từ B qua A Điện áp trên tải Ut = U Ngược lại, khi S2 dẫn, S1 không dẫn, dòng điện It từ A qua B Điện áp trên tải

Ut = -U Do đó điện áp trên tải được xác định theo trạng thái các khóa như ở bảng

Từ (2.1) và (2.4) cho thấy trạng thái kích 2 khóa là đảo của nhau và điện áp

ra phụ thuộc trạng thái kích của các khóa và được xác định qua cách điều chế

2.1.2 Sơ đồ cầu

Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu cho thấy tại 1 thời điểm chỉ có 1 trong 2 nguồn tác dụng Vì thế hiệu suất nghịch lưu là khá thấp (<50%) Một trong các cách để nâng cao hiệu suất là thực hiện nghịch lưu theo sơ đồ cầu hình (2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

So với sơ đồ nửa cầu số khóa công suất tăng gấp đôi, do đó điện áp rơi (tổng trên các khóa) tại mỗi thời điểm cũng tăng tương ứng Phần mạch chính của sơ đồ cầu là 4 khóa công suất (S1 đến S4) được mắc thành 2 nhánh Nhánh trái gồm S1 và

S4 và nhánh phải gồm S2 và S3 Các khóa trong 1 nhánh không được cùng dẫn để đảm bảo không ngắn mạch nguồn U Do đó, nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là

Từ bảng (2.2) có thể xác định điện áp trên tải theo trạng thái các khóa như sau:

Nếu thực hiện điều chế với TS2 = 1-TS1 (khóa S1 là đảo của khóa S2) thì công thức (2.6) trở lại như (2.4) có nghĩa là chúng ta không tận dụng được mức 0 để giảm THD Do đó khi xây dựng giải thuật điều khiển với nghịch lưu cầu chúng ta sẽ thực hiện điều chế riêng biệt với 2 tín hiệu này Điều này có nghĩa là ta sẽ sử dụng 2 bộ PWM riêng biệt Để giảm số khóa công suất người ta còn giới thiệu thêm sơ đồ nghịch lưu áp kiểu đẩy kéo hình (2.3)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp

Để sử dụng mạch nghịch lưu kiểu đẩy kéo người ta sử dụng biến áp có sơ cấp

có điểm giữa như hình (2.3)

Hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp

Tuy nhiên do ảnh hưởng hỗ cảm của các cuộn dây của máy biến áp và đặc tính

từ trễ nên điện áp trên tải sẽ bị méo dạng khá nhiều và làm tăng THD Do đó sơ đồ này thường chỉ áp dụng với nghịch lưu mà điện áp trên tải có dạng xung vuông hoặc tam giác ( không sin )

Trong phần trước đã trình bày thì điện áp thì điện áp ra trên tải của nghịch lưu được quyết định bởi trạng thái các khóa công suất trong sơ đồ Việc xác định các trạng thái kích của các khóa được thực hiện bằng một mạch điện phần cứng hoặc chương trình phần mềm mà ta gọi là kỹ thuật (phương pháp) điều chế

2.2.1 Mô tả kĩ thuật PWM

Phương pháp điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông kích các khóa công suất (TSi), dẫn đến sự thay đổi điện áp ra theo (2.4) và (2.5) Khi thực hiện bằng phần cứng, mạch điều chế PWM sẽ có cấu tạo như hình (2.4)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

a) b) Hình 2.4 Mạch điều chế PWM (a) Cách tạo xung PWM và (b) Xung PWM

được mô phỏng trong PSIM

Như vậy điều chế PWM nhằm tạo xung kích Vpwm bằng cách so sánh điện áp điều khiển (Vsin) và điện áp sóng mang dạng xung răng cưa hoặc tam giác (Vsaw), tần số xung tam giác phải rất lớn so với tần số sóng điều khiển Do đó, trong 1 chu

kỳ sóng tam giác (TS) điện áp sóng điều khiển gần như không thay đổi biên độ hình (2.4b) Với mỗi biên độ điện áp điều khiển Vsin, ta sẽ xác định được xung kích Vpwm

với độ rộng xung ton theo điện áp điều khiển như (2.7)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.5 Điện áp điều khiển (V sin ), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với

cấu hình nghịch lưu nửa cầu

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển từ các bộ biến đổi AC/AC, DC/DC đến các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Ngày nay điều chế PWM chính là cốt lõi của điện tử công suất Có 2 phương pháp điều chế xung PWM là:

- Điều chế PWM bằng phần cứng: Là phương pháp so sánh, sử dụng trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556

- Điều chế PWM bằng phần mềm: ưu điểm của việc sử dụng phần mềm là độ chính xác cao về tần số PWM cũng như đơn giản hóa về mạch nguyên lý Xung PWM tạo ra dựa trên xung của CPU nguồn Có khá nhiều phần mềm và chip điều khiển để thực hiện công việc này, như: chip 8051, vi điều khiển họ 16F, hay Card DSP TMS320F28335…

Vì vậy, nhóm chọn phương pháp điều chế xung PWM bằng phần mềm và sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 Card DSP TMS320F28335 tích hợp nhiều ngõ ra GPIO, ADC thích hợp cho đề tài và được hổ trợ chuyển đổi code từ phần mềm PSIM

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM PSIM, CCS VÀ CARD DSP TMS320F28335

Vẽ sơ đồ và sử dụng các khối hỗ trợ trong PSIM

a) b)

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM (a) Xung PWM điều

khiển cho IGBT và (b) Điều chỉnh thông số trong khối 1-ph PWM

Trong khối 1-ph PWM hình (2.6.b), ta có thể cài đặt các thông số cho dạng

sóng ngõ ra như: tần số, biên độ đỉnh của xung tam giác, GPIO ngõ ra…

Kết quả mô phỏng của việc so sánh xung răng cưa và hàm sin, ta được chuỗi

xung vuông có độ rộng thay đổi hình (2.7)

Hình 2.7 Dạng sóng PWM ngõ ra

Tạo chương trình biên dịch để nạp vào Card DSP 320F28335

Khi có được đoạn chương trình trên, ta sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) để nạp vào Card DSP TMS320F28335 là có thể tạo ra xung PWM như yêu cầu đặt ra

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4 BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ

chuyển đổi nguồn điện có điện áp cao cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần

thiết Quá trình xử lý điện áp 1 chiều thành điện áp 1 chiều khác gọi là biến đổi

DC-DC Một bộ tăng áp là một bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp

đầu vào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung

gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất, đặc biệt là các hệ thống phát điện sử

dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời)

2.4.1 Nguyên lí hoạt động

Hình 2.8 Mạch tăng áp DC-DC

Phân tích hoạt động mạch bộ tăng áp ở chế độ dòng diện tải liên tục và mạch ở

tình trạng xác lập như hình (2.8)

 Trạng thái đóng S:

Dòng điện khép kín qua mạch Phương trình mô tả trạng thái điện áp trên cuộn

dây khi Swich S đóng:

Hình 2.9 Mạch ở trạng thái Switch S đóng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

𝑼𝑳𝟏 = 𝑼𝒊𝒏 𝑫 với D = 𝑻𝒐𝒏

 Trạng thái mở S:

Hình 2.10 Mạch ở trạng thái Switch S mở

Công tắc S bị kích ngắt trong khoảng thời gian 𝑇𝑂𝐹𝐹 Dòng qua công tắc S bị triệt tiêu Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode 𝐷𝑜 và nguồn U

Phương trình mô tả trạng thái mạch:

Điện áp nghịch lưu AC phải qua mạch lọc để điều chỉnh các giá trị về điện áp, tần số, góc pha và THD để phù hợp với các điều kiện của Nhà nước trước khi đồng

bộ lên lưới điện quốc gia

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Người ta có thể hòa đồng bộ một máy phát điện với một máy khác, một máy phát điện với một lưới đang có điện, hoặc 2 lưới cùng đang có điện với nhau

Hình 2.11 Mô hình hòa lưới từ pin mặt trời

Các điều kiện hòa lưới:

 Điều kiện về tần số: tần số của hệ thống tạo ra phải bằng tần số lưới

 Điều kiện về điện áp: điện áp của hệ thống phải bằng điện áp lưới

 Điều kiện về góc pha: góc pha của hệ thống và lưới phải trùng nhau

2.6.1 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

- Tấm Pin mặt trời sử dụng trong đồ án là loại 36cell/tấm Có các thông số kỹ thuật như bảng (2.3)

Bảng 2.3 Bảng thông số pin mặt trời sử dụng

2.6.2 Các linh kiện phục vụ nghịch lưu

Trong mạch nghịch lưu sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, vì vậy sẽ có tần số chuyển mạch lớn hơn rất nhiều so với tần số cơ bản Chúng ta cần chọn những loại khóa chuyển mạch có tốc độ chuyển mạch lớn Một số loại có thể đáp ứng được yêu cầu trên gồm: BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semicoducter Field Effect Transistor) và IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – sự kết hợp của BJT và MOSFET)

Hình 2.12 BJT, MOSFET và IGBT

Từ những đặc điểm trên của các loại transistor, chúng em quyết định chon IGBT vì:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Mạch nghịch lưu thiết kế sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM với tần số đóng ngắt khoảng 10kHz, vì thế chọn IGBT có thể đáp ứng được yêu cầu này

- Hiện nay, năng lượng luôn được ưu tiên tiết kiệm, mà IGBT là loại linh kiện vừa ít tổn hao cùng với đó là có công suất lớn, thích hợp cho việc nâng cấp cải tiến sau này

- Việc điều khiển và làm mát IGBT cũng đơn giản

 IGBT

Hình 2.13 Cấu trúc của IGBT [2]

Hoạt động của IGBT:

IGBT là transistor công suất mới, là sự kết hợp hoàn hảo của BJT và MOSFET, với khả năng chịu được điện áp và dòng lớn của BJT, cùng với đó là sự tổn hao công suất thấp của MOSFET Cấu tạo của IGBT cũng tương tự như các transistor khác với 3 cực: G, C và E

IGBT được tích hợp một phần tử MOSFET, việc điều khiển cũng dựa trên phần tử này Tương tự như MOSFET, điện áp điều khiển được đưa vào cực G, tạo

ra một kênh dẫn kích thích vào cực B của các BJT làm cho các BJT này dẫn, kéo theo đó là IGBT dẫn Khi ngưng cấp điện cho cực G thì IGBT ngưng dẫn

Dải công suất của IGBT:

Trong các dòng transistor thì IGBT là loại transistor có dải công suất có thể nói là rộng nhất lên đến 10MW và còn hơn thế nữa, có kích thước gọn nhẹ, khả năng chịu được điện áp đến khoảng 6kV, dòng điện lên đến 3kA, điện áp điều khiển chỉ khoảng ±20V, thời gian đáp ứng đóng ngắt nhanh với tần số lên đến 20kHz

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Công suất tổn hao của IGBT:

Cũng giống như MOSFET, IGBT có điện trở mạch điều khiển lớn làm giảm tổn hao công suất khi đóng ngắt, cùng với đó là sụt áp khi dẫn điện thấp chỉ khoảng 3V trong khi điện áp định mức hàng nghìn Volt Mặc dù có tổn hao thấp nhưng vẫn cần làm mát các IGBT khi hoạt động với công suất lớn

Do đó IGBT FGA25N120ANTD với các thông số kỹ thuật trong bảng (2.4) là lựa chọn phù hợp

Hình 2.14 Hình ảnh thực tế và ký hiệu IGBT FGA25N120

Bảng 2.4 Một số thông số của FGA25N120ANTD [2]

Mặt khác, việc điều khiển các linh kiện điện tử công suất bằng các Card điều khiển hay vi điều khiển… điều này đồng nghĩa với việc có sự chênh lệch về công suất cũng như tín hiệu hay nhiễu, dễ gây những sự cố ngoài ý muốn, do vậy, việc

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

cách ly giữa khối điều khiển và khối công suất là điều thật sự cần thiết và bắt buộc

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng ngắt Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử

Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với các phần tử Tuy nhiên các mạch dập có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối

ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT bằng cách ứng dụng tính chất nạp xả của tụ điện thông qua mạch RC, cùng với đó sử dụng optocoupler để cách li và bảo vệ mạch điều khiển, tránh được hư hại hệ thống khi gặp sự cố

Từ những yêu cầu và các lý do nêu trên, ta cần thiết kế một mạch điện trung gian - mạch kích để đảm bảo an toàn và ổn định khi làm việc giữa khối điều khiển

và khối công suất

Mạch kích là sự kết hợp của hai mạch nhỏ đó là mạch Deadtime và mạch lái(Driver)

Mạch DeadTime có tác dụng tạo thời gian trễ dựa trên thời gian nạp xả tụ, thông qua đó làm chậm lại quá trình khóa của IGBT Mục đích của việc tạo thời gian trễ là tránh hiện tượng trùng dẫn giữa các IGBT, khi cần dẫn điện luân phiên Mạch lái có tác dụng điều khiển đóng ngắt IGBT và cách li mạch động lực với mạch điều khiển, giảm thiểu hư hại hệ thống khi mạch xảy ra sự cố

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.6.4 CARD DSP 320F28335 – Thiết bị xử lý trung tâm

Là bộ thí nghiệm dựa trên bộ xử lý C2000 Delfino Phần cứng của Experimenter Kit bao gồm một bộ mô phỏng XDS100 JTAG độc lập tạo điều kiện cho việc lập trình và gỡ lỗi dễ dàng

Hình 2.15 Card DSP TMS320F28335

Người sử dụng có thể sử dụng phần mềm tích hợp Code Composer Studio (IDE) để thao thác lập trình trên Delfino TMS320F28335

Hình 2.16 Giao diện khởi động Code Composer Studio

Hình 2.17 Giao diện làm việc Code Composer Studio

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Thiết kế và tính toán hệ thống là phần rất quan trọng vì nó sẽ quyết định sự vận hành của hệ thống cũng như tính ổn định khi hoạt động Với đề tài này, cần thiết kế các khối như sau:

 Khối cảm biến điện áp

Mỗi khối đều có những yêu cầu kỹ thuật và tính đặc thù riêng, do đó, để có được mạch hoàn chỉnh ta cần khảo sát chi tiết về nguyên lý của từng khối

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối là một phần rất quan trọng với bất kì một hệ thống nào Do vậy, với đề tài này, ta có thể hình dung ra nguyên lý vận hành qua sơ đồ khối hình (3.1)

 Chức năng tổng quan của các khối:

Nguồn pin năng lượng mặt trời: Tấm pin được đặt dưới ánh nắng mặt trời,

chuyển đổi quang năng thành điện năng một chiều thông qua nguyên lý bức xạ lượng tử, làm nguồn cung cấp điện áp DC cho mạch DC-DC và các mạch nguồn

Mạch nghịch lưu: Chuyển đổi điện áp DC thành điện áp AC (dạng xung) Khối điều khiển: Sử dụng Card DSP TMS320F28335 để tạo xung PWM,

nhận tín hiệu hồi tiếp và phát tín hiệu điều khiển

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Khối kích và cách ly: Chống nhiễu, bảo vệ an toàn cho Card điều khi vận

hành khối nghịch lưu công suất và tạo thời gian trễ, tránh trùng dẫn cho các IGBT

Khối tăng áp DC-DC: Từ điện áp nhỏ của pin mặt trời được tăng lên điện áp

cao sau khi qua mạch tăng áp để tăng hiệu suất của hệ thống

Khối lọc điện áp ra: Điện áp sau khi được nghịch lưu thành AC còn ở dạng

xung nên vẫn còn có nhiễu và THD cao Cần phải có một mạch lọc để lọc đi các tần

số sóng hài không mong muốn

Khối hồi tiếp: Đọc giá trị điện áp pin, DC-DC boost, AC tạo ra và điện áp

lưới từ đó giúp khối điều khiển so sánh với giá trị tham chiếu để phát tín hệu điều khiển phù hợp

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Một cách nhìn tổng quát, trên thị trường hiện nay có rất nhiều bộ nghịch lưu

áp 1 pha với nhiều cách thiết kế khác nhau, trong đó phải kể đến cách thiết kế với số lượng van đóng/ ngắt công suất (IGBT) khác nhau, 1 2 hoặc 4 IGBT

Xét về tổn hao và sụt áp, thì mạch sử dụng 4 IGBT (sơ đồ cầu) có mức độ sụt

áp cao nhất, vì tại một thời điểm sẽ có 2 IGBT dẫn, nhưng bù lại ta chỉ cần cung cấp

1 nguồn điện DC đầu vào và ưu điểm khác là hiệu suất toàn mạch cao

Đối với sơ đồ nửa cầu (2 IGBT) ta cải thiện được khuyết điểm sụt áp, tuy nhiên cần cung cấp nguồn DC đầu vào là nguồn đôi và gặp khó khăn trong việc cân bằng điện áp nguồn

Như vậy, để giữ được hiệu suất cao và đơn giản trong việc điều chỉnh, ta chọn phương pháp nghịch lưu cầu, sử dụng 4 IGBT làm 4 van đóng/ngắt Sơ đồ nguyên

lý của nghịch lưu cầu 1pha 4 IGBT được trình bày ở hình (3.2):

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha

Các IGBT được chia thành 2 nhánh cầu là nhánh A và nhánh B Các IGBT trên mỗi nhánh sẽ được đóng ngắt theo tín hiệu điều chế độ rông xung (PWM) và phải đảm bảo các IGBT trên cùng nhánh không được phép cùng dẫn Do đó các tín hiệu kích nhánh A, B phải thỏa mãn:

Muốn thế mạch kích các IGBT phải được thiết kế sao cho IGBT A ngắt rồi IGBT An mới dẫn và ngược lại Nếu điện áp điều chế có dạng sin:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Thì thành phần cơ bản của điện áp ra của mach nghịch lưu có giá trị :

Trong đó khả năng điều khiển tuyến tính với chỉ số điều chế m=0.866 [4]

Do đó muốn có điện áp xoay chiều hiệu dụng 110V (để qua máy biến áp tăng lên 220V) thì điện áp nguồn DC (từ mạch DC-DC đưa đến) phải có giá trị ít nhất là:

Do đó dựa vào công thức (3.4) ta tính được:

Đây chính là giá trị để tính giá trị điện áp của mạch DC-DC và cũng là giá trị

chọn điện áp ngược đặt lên IGBT

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của IGBT FGA25N120[2]

TL Maximum Lead Temp for soldering

Purposes, 1/8” from case for 5 seconds

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

b Thiết kế mạch kích

Mạch kích có nhiệm vụ tạo điện áp kích IGBT và tránh trùng dẫn đảm bảo điều kiện (3.1) Do đó cấu trúc mạch kích sẽ gồm 2 phần là mạch lái tạo điện áp kích và mạch tạo trễ tránh trùng dẫn (deadtime) như hình (3.3) Giữa mạch lái và mạch công suất sẽ phải được cách ly

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch kích

 Mạch lái:

Mạch lái (hay Driver) là mạch điện nằm giữa mạch DeadTime và mạch động lực (IGBT), có chức năng thực hiện thao tác đóng/ngắt IGBT theo yêu cầu của tín hiệu điều khiển, đồng thời thực hiện cách ly bảo vệ an toàn, tránh nhiễu cho Card điều khiển Việc cách ly có thể thực hiện bằng máy biến áp xung hoặc optocoupler

Để cho mạch gọn nhẹ nhóm chọn phương án sử dụng optocoupler như hình (3.4)

Hình 3.4 Phần mạch lái cho IGBT nhánh trên

Trong mạch hình 3.4 các optocoupler lựa chọn là loại PC817 có dòng cực colector lớn nhất là 𝐼𝐶𝑚𝑎𝑥 = 50mA Do đó, để hạn chế dòng qua cực G của IGBT

và dòng cực đại qua Transistor trong ghép nối quang OK1, OK2 không vượt quá