Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời

TÓM TẮT Đồ án “Bộ nghịch lưu một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời” đã hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu như sau:  Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời  Tìm hiểu và sử dụng ứng dụn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-AC MỘT PHA 5 BẬC

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: NGUYỄN NHÂN BỔN SVTH: TRỊNH VĂN THẮNG MSSV: 15142107

SVTH: LÊ NGUYỄN TƯỜNG AN MSSV: 15142001

SKL 0 0 5 9 1 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-AC MỘT PHA 5 BẬC SỬ

DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LÊ NGUYỄN TRƯỜN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-*** -

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 7 năm 2019 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: Trịnh Văn Thắng 15142107 Lớp 15142CL3 Lê Nguyễn Trường An 15142001 Ngành : Điện – Điện Tử Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện

2 Ưu điểm

3 Khuyết điểm

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không

5 Đánh giá loại

6 Điểm ( Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

Giáo viên phản biện

(Kí và ghi rõ họ tên

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, chúng em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Nhân Bổn đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn

và kinh nghiệm để em thực hiện Đồ án này

Chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền đạt kiến thức, cung cấp tài liệu, giúp

đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt Đồ án này

Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đã động viên, giúp đỡ và

tạo điều kiện cho chúng em có thời gian để hoàn thành Đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Trịnh Vắn Thắng & Lê Nguyễn Trường An

TÓM TẮT

Đồ án “Bộ nghịch lưu một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời” đã hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

 Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời

 Tìm hiểu và sử dụng ứng dụng Matlap để mô phỏng và điều khiển

 Phân tích các cấu trúc nghịch lưu 5 bậc Đánh giá ưu nhược điểm của chúng

và chọn phương pháp thực hiện hợp lý

Kết quả nghiên cứu:

 Sử dụng ngôn ngữ lập trình là Matlab mô phỏng được dạng sóng điện áp ở ngõ ra tải

 Phù hợp để điều khiển các tải vừa và nhẹ trong công nghiệp, chi phí nhỏ nhưng điều khiển được các tải nhẹ với độ ổn định cao có sử dụng năng lượng mặt trời

 Mạch phần cứng hoàn chỉnh

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA TRANG

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích và mục tiêu của đề tài 1

1.3 Điểm mới của đề tài 2

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Giới thiệu tổng quát 3

2.1.1 Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời 3

2.1.2 Pin mặt trời 5

2.1.2.1 Khái niệm về pin mặt trời 5

2.1.2.2 Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời 5

2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời 6

2.1.3 Bộ tích trữ điện (Acquy) 6

2.1.3.1 Khái niệm về acquy 6

2.1.3.2 Cấu tạo của acquy 7

2.1.3.3 Nguyên lý hoạt động của acquy 8

2.2 Bộ nghịch lưu áp 8

2.2.1 Khái niệm về bộ nghịch lưu áp 8

2.2.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 9

2.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 9

2.3.1 Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 10

2.3.2 Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 12

2.2.4 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 13

2.2.5 Nhận xét: 15

2.3 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade 15

2.3.1 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 15

2.3.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade) 17

2.4 Tìm hiểu về card DSP TMS320F28335 19

2.4.1 Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335 19

2.4.2 Cấu trúc phần cứng 23

2.4.3 Các khối module cơ bản 26

2.4.3.1 Điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp (DMA) 26

2.5 Tóm tắt – tổng kết chương 2 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG 28

3.1 Mạch nguồn +15V -5V 28

3.1.1 Biến áp nguồn 28

3.1.2 Mạch nguồn ổn áp DC 29

3.2 Mạch kích 31

3.3 Mạch công suất IGBT 34

3.4 Mạch tăng áp DC/DC 37

3.5 Bộ điều khiển năng lượng mặt trời 38

3.6 Sơ đồ khối 39

3.7 Mô hình toàn hệ thống 40

CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM SỬ DỤNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 41

4.1 Phần mềm sử dụng 41

4.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 41

4.2.2 Các khối chức năng hỗ trợ Card F28335 45

4.2.3 Viết chương trình tes Card F28335 48

4.3 Chương trình điều khiển nghịc lửu 1 pha 5 bậc nhúng cho Card DSP 52

4.3.1 Chương trình điều chế xung trên Simulink 52

4.3.2 Cách lấy các khối trong chương trình trên Silmulink 52

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THỰC TẾ VỚI TẢI ĐÈN VÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT THẤP 54

5.1 Kết quả mô phỏng trên Matlap 54

5.1.1 Các tham số mô phỏng 54

5.1.2 Mô hình mô phỏng trên Matlap 54

5.1.3 Kết quả mô phỏng 56

5.1.3.1 Không tải 56

5.1.3.2 Tải trở 56

5.1.3.3 Tải RL 56

5.1.3.4 Tải RL 57

5.2 Kết quả thực tế 57

5.2.1 Không tải 57

5.2.2 Tải đèn 57

5.2.3 Tải động cơ 59

5.3 Nhật xét 59

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60

6.1 Kết luận 60

6.2 Hướng phát triển 60

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

DSP: Digital Signal Processor

BGT: Bipolar junction transistor

TI: Texas Instruments

PWM: Pulse Width Modulation

GPIO: General Purpose Input Output

ROM: Read-Only Memory

CPU: Central Processing Unit

UART: Universal Asynchronous Receiver / Transmitter

DMA: Direct memory access

DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ

Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ

Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hòa lưới

Hình 2.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập

Hình 2.4: Cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 2.6: Cấu tạo bên trong của Acquy thông thường

Hình 2.7: Cấu trúc dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) Hình 2.8 Cấu trúc dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Hình 2.9 Cấu trúc ghép tầng cascade 3 pha thông thường

Hình 2.10 Bộ nghịch lưu áp 1 pha

Hình 2.11 Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade

Hình 2.12 Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc

Hình 2.13 Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngoài của Chp TMS320F28335

Hình 2.15: Cấu tạo bên trong của Chip TMS320F28335

Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời

Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế của Card DSP TMS320F28335 khi gắn lên Kit C2000 Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc phần cứng của F28335

Hình 2.19: Sơ đồ phân chia vùng chức năng của F28335

Hình 2.20: Tổ chức vùng nhớ của F258335

Hình 2.21: Địa chỉ của các vùng nhớ trong F28335

Hình 3.1 Mạch nguyên lý biến áp nguồn cung cấp 3

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC ổn áp 7815 và 7905

Hình 3.3 Mạch nguồn sau khi lắp ráp thực tế

Hình 3.4 Mạch nguyên lý hoạt động cầu diode

Hình 3.5 Điện áp sau khi lọc

Hình 3.6 Sơ đồ mạch xung kích 1 pha

Hình 3.7 Mỗi cặp khóa công suất đối nghịch trong mạch kích (có 4 cặp)

Hình 3.8 Dòng điện nạp và xả tụ

Hình 3.9 Datasheet IGBT

Hình 3.10 Mạch kích sau khi được thi công

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

Hình 3.12 Sơ đồ chân của IGBT

Bảng 3.13 Thông số IGBT 25N120NTD

Hình 3.14 Dạng sóng điện áp ngõ ra của một pha trên mô phỏng

Hình 3.15 Mạch công suất sau khi thi công

Hình 3.16 chế độ hoạt động của mạch boost

Hình 3.17 Hình ảnh thực tế mạch boost

Hình 3.18 Hình ảnh thực tế bộ sạc

Hình 3.19 Sơ đồ khối kết nối các khối

Hình 3.20 Hình ảnh thực tế mô hình toàn bộ hệ thống

Hình 4.1 Giao diện Matlap 2017b

Hình 4.2 Vào mục Get Hardware Support Packages

Hình 4.3 Installed Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000

Hình 4.8 Thư viện hỗ trợ Card F28335

Hình 4.9 Tạo Simulink tes Card

Hình 4.10 Chọn Digital Output

Hình 4.11 Chọn Constant

Hình 4.12 Mô hình tes F28335

Hình 4.13 Thông số GPIO Ouput

Hình 4.14 Cài đặt cấu hình Card F28335

Hình 4.15 Tes Led trên Card F28335

Hình 4.16 Chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên Simulink Hình 5.1 Mô hình mô phỏng trên Matlap

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý khối IGBT

Hình 5.3 Sơ đồ khối tải và thông số cài đặt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

Học Kỹ Thuật,152 trang

Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 220 trang

trường Đại Học sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 321 trang

Điện Tử Công Suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 102 trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Điện tử công suất là ngành đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện tại Các khối ngành kĩ thuật mà có những ứng dụng tiêu biểu như: truyền động điện động cơ xoay chiều với điện áp cao, giao thông đường sắt, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Ngày nay, với việc sử dụng nhiều hơn các mạch điện tử làm cho các phần tử bán dẫn công suất ngày một được

ưa chuộng hơn Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện áp, nghịch lưu dòng điện Các bộ biến đổi này hay được sử dụng trong việc điều khiển động cơ điển hình nhất là động cơ một pha và ba pha

Đa phần hiện nay đều sử dụng các mạch với công suất lớn Để đáp ứng với các mạch công suất lớn đó thì cần phải nâng cao giá trị điện áp và dòng điện Tuy nhiên, khả năng chịu đựng được điện áp và dòng điện của các thiết bị điện tử công suất là

có giới hạn Ngày nay, người ta hay dùng giải pháp là mắc song song để tạo dòng điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống Nghịch lưu áp hai bậc truyền thống chỉ có thể tạo ra điện áp thấp Điện áp đó không đủ để điều khiển được tải với công suất lớn chẳng hạn như động cơ Mạch nghịch lưu áp đa bậc cascade có nhiều ưu điểm hơn nghịch lưu áp hai bậc là công suất cao hơn, dòng điện ở ngõ ra tốt hơn, chất lượng điện áp tốt hơn hẳn Tuy nhiên, nó có nhược điểm

là sử dụng nhiều linh kiện điện tử hơn do đó số mạch điện tử cũng tăng lên, giải thuật điều khiển phức tạp hơn Bởi vậy mạch nghịch lưu áp đa bậc có giá thành cao hơn Tuy nhiên, đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được nghiên cứu rất nhiều Nhưng

ở đây người thực hiện đã kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng DSP F28335 của hãng Texas Instrument trên thuật toán Cascade, chạy thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài

Chính vì vậy, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha sử dụng năng lượng mặt trời” để tìm hiểu phương pháp nâng cao hiệu quả bộ nghịch lưu

5 bậc cũng như ứng dụng thực tiễn của nó trong đời sống

1.2 Mục đích và mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời

Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về nghịch lưu áp đa bậc

Tìm hiểu về các lệnh sử dụng trong Matlab

Thi công mạch nguồn cho mạch kích, mạch kích, mạch công suất

Mô phỏng Matlab bộ nghịch lưu với mô hình thực nghiệm sử dụng card DSP

TMS320F28335 Thiết kế và thi công mô hình hoàn chỉnh

chạy trên Matlab

1.3 Điểm mới của đề tài

Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng vi xử lý

Chứng minh việc cải thiện chất lượng sóng khi nghịch lưu 5 bậc thông qua mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm

Thu thập dữ liệu trên máy tính, giám sát chất lượng sóng thông qua máy đo hiển thị sóng Oscilloscope

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, cũng như nhu cầu về năng lượng cao của các thiết bị công nghiệp Các trường đại học, cao đẳng, các phòng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mô hình thí nghiệm hiện đại, đắt tiền Đối với một số trường, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế Điểm chung của các mô hình này có thể ứng dụng nhúng các thuật toán để điều khiển Trong lĩnh vực tự động hóa, có rất nhiều thuật toán để điều khiển từ cổ điển đến hiện đại nhưng ở đây đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất nhanh Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay được chọn dùng card DSP TMS320F28335 kết hợp với ngôn ngữ lập trình là Matlab

Việc kết hợp giữa TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra bộ điều khiển linh hoạt

sử dụng trong việc điều khiển các tải với công suất cao, giúp nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng

Các kết quả mô phỏng và thực tiễn trên mô hình bộ nghịch lưu áp một pha năm bậc cho thấy dạng sóng ra tương ứng gần giống như mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink và điều khiển động cơ chạy êm, dạng sóng ít nhiễu, độ mịn sóng sin cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành và nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu tổng quát

2.1.1 Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ

Hình trên mô tả đầy đủ nhất về hệ thống pin năng lượng mặt trời Hệ thống đó

có thể cung cấp trực tiếp cho tải một chiều (DC) và cũng có thể qua bộ nghịch lưu (inverter) biến đổi ra điện áp xoay chiều để điều khiển tải xoay chiều (AC)

Ngày nay đa phần sử dụng tải AC xoay chiều thì bộ nghịch lưu ngày càng được sử dụng nhiều hơn vì nó ít tiêu tốn năng lượng điện, hòa hợp với môi trường

Có 2 loại: sử dụng hệ pin mặt trời hòa lưới để cung cấp cho các nhà máy, xí nghiệp và sử dụng hệ pin mặt trời độc lập để cung cấp cho nhu cầu của người sử dụng

Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hòa lưới

Hình trên mô tả hệ thống pin mặt trời hòa lưới Hệ thống này qua bộ inverter hòa lưới truyền điện vào lưới điện để sử dụng

Hình 2.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập

Hình trên mô tả hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập Hệ thống này không hòa vô lưới điện truyền tải mà chỉ sử dụng để điều khiển các tải nhẹ trong gia đình hiện nay Ngày nay, hệ thống này được sử dụng khá phổ biến để điều khiển các tải xoay chiều 3 pha phù hợp với nhu cầu của người sử dụng

2.1.2 Pin mặt trời

2.1.2.1 Khái niệm về pin mặt trời

Định nghĩa: Pin mặt trời hay còn được gọi là pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện – phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sang, phổ biến đó là diode quang

Đặc tuyến ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào các yếu

tố như: cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời, điện áp ngõ ra,…

2.1.2.2 Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời

- Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng nhờ vào hiệu ứng quang điện bên trong tấm pin

các lỗ trống

Hình 2.4: Cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời

Hình trên mô tả cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời Nó được cấu tạo bởi điện cực trong suốt tiếp nhận từ nguồn ánh sáng mặt trời hang ngày, lớp tiếp xúc và điện cực (-)

2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời

Nguyên lý hoạt động của tấm pin được minh họa trong hình dưới đây:

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là

khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất

2.1.3 Bộ tích trữ điện (Acquy)

2.1.3.1 Khái niệm về acquy

Acquy là một nguồn điện hóa học có thể biến đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại

Trong acquy có thể xảy ra 2 quá trình phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của acquy

đó là quá trình phóng điện và quá trình nạp điện Quá trình biến đổi hóa năng thành điện năng được gọi là quá trình phóng điện và ngược lại quá trình biến đổi điện năng thành hóa năng là quá trình nạp điện

Acquy sử dụng nguồn điện một chiều thường là số chẵn

 Ứng dụng của acquy:

- Dùng để ổn định điện áp từ đó có thể sử dụng để cấp cho tải

- Có thể sử dụng trong các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô,…

2.1.3.2 Cấu tạo của acquy

Acquy gồm vỏ bình, bên trong có các ngăn riêng Số ngăn tùy thuộc vào điện

áp định mức ghi trên bình acquy Với điện áp aquy được sử dụng trong đồ án này là

12 V thì được chia làm 6 ngăn (2,1V/1 Cell)

Vỏ bình chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec

Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống

đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống

Các ngăn ắc quy được nối tiếp với nhau bằng cầu nối

Quan trọng nhất vẫn là 2 Điện cực +, - từ Cell đầu và Cell cuối acquy

Cấu tạo của Ắc-quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân,

có màng ngăn cách

Hình 2.6: Cấu tạo bên trong của Acquy thông thường

Hình trên mô tả cấu tạo bên trong của acquy Nó gồm các bộ phận bảo vệ và các bản cực để hình thành được điện thế cấp cho các cọc bình, từ đó cấp cho tải bên ngoài

2.1.3.3 Nguyên lý hoạt động của acquy

Trong acquy xảy ra hiện tượng phóng điện Hiện tượng phóng điện là năng lượng điện được phát ra khi axit sunphuric trong dung dịch điện phân phản ứng với chì và trở thành nước Khi đó thì axit sunphuric sẽ kết hợp với bản cực âm và bản cực dương làm cho chúng chuyển thành sunfat chì

Ở cực dương xảy ra phương trình hóa học như sau:

2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 +2H2O + O2

Ở cực âm xảy ra phương trình hóa học như sau:

Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

Phản ứng gộp:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2H2SO4 + 2H2O

Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu đối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện

2.2 Bộ nghịch lưu áp

2.2.1 Khái niệm về bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp nguồn áp

và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp

Bộ nghịch lưu áp có thể cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều có lọc phẳng,… Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng (động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện điện tử không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng chạy qua nó Trong các ứng dụng với dãi công suất vừa thì có thể sử dụng Transistor lưỡng cực BJT, Transistor hiệu ứng trường MOSFET hay là Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT Với tải tổng quát, mỗi linh kiện còn mắc thêm một diode đối song song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện

2.2.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp

 Bộ nghịch lưu áp có rất nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau:

- Theo số pha điện áp đầu ra tùy theo yêu cầu điều khiển ở tải: 1 pha, 2 pha, 3 pha, …

- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): 2 bậc, 3 bậc, 5 bậc, 7 bậc, 9 bậc,…

- Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng cascade (Cascade inverter), dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter), …

- Theo phương pháp điều khiển:

+ Phương pháp điều rộng

+ Phương pháp điều biên

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến (Modifield SPWM) + Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector Modulation)

2.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

 Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:

- Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

- Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

- Dạng ghép tầng Cascade (Cascade Inverter)

2.3.1 Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

Hình 2.7: Cấu trúc dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter)

 Đặc trưng cơ bản của dạng diode kẹp NPC :

- Không giống với nghịch lưu cầu H dạng cascade, cần các thiết bị kẹp

- Diode được sử dụng như thiết bị kẹp

- Nghịch lưu multilevel clamped ba pha dùng diode có 3 nhánh với các tầng DC phổ biến

- Điện áp DC được phân chia thành các công tắc và các tụ

- Có n cấp độ, được yêu cầu có n-1 công tắc

- Một trong các công tắc từ mỗi cái nên được mở

- Nếu một công tắc bật, một cái khác từ cặp nhất thiết nên tắt

- Với n cấp độ, n-1 tụ được yêu cầu cho điện áp DC clamping

- Thiết bị đóng cắt (như các transistor) cần được chặn chỉ điện áp DC cung cấp,

- Mỗi diode chặn điện áp bằng với số lượng các công tắc trên nó thời gian điện

áp DC cung cấp

- Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp có nguồn DC phân nhỏ thành các cấp nhờ các

tụ điện mắc nối tiếp

- Nguyên tắc hoạt động: kích đóng tức là mở tất cả các van kẹp trong 2 diode

để được cấp các điện áp mong muốn

- Hiệu năng cao cho chuyển đổi tần số cơ bản

- Trong nghịch lưu bap ha, tất cả 3 pha sử dụng tầng DC thông thường cái mà

- Có thể làm việc với SDCs

- Giá thành tương đối thấp

- Số lượng thiết bị tương đối ít

- Hiệu năng cho các kết nối trở lại công suất cao

 Nhược điểm:

- Sự liên quan phương trình bậc 2 giữa số lượng diode và các cấp độ thì khó để tính toán, đặc biệt hơn là khi số lượng cấp độ lớn hơn thì nó khó và phải chắc chắn tránh nó

- Khó trong chảy công suất thực

- Duy trì nạp và không nạp thì khó

- Nạp cân bằng trở nên nhiễu với nhiều hơn 3 pha

- Điện áp ngõ ra bị giới hạn

2.3.2 Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

Hình 2.8 Cấu trúc dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

 Đặc trưng cơ bản:

- Nó tương tự với diode Loại này của nghịch lưu thay đổi đòi hỏi tụ được nạp trước

- Cấu trúc bao gồm nhiều diode, tụ và thiết bị điều khiển

- Mặc dù về mặt lý thuyết cấu trúc đã được thiết kế để cho cấp độ xác định, là bởi cao nhất của nó là 6 bậc

- Mỗi cạnh bao gồm nhiều thiết bị chuyển đổi phổ biến là transistor

- Mỗi nhánh nghịch lưu bao gồm nhiều pin được kết nối bên trong nối tiếp với nhau

- Mỗi pin có một tụ đơn và thiết bị điều khiển công suất

- Không giống như diode clamped inverter, cấu trúc này sử dụng nhiều tụ để kẹp

- Một nghịch lưu với N pin sẽ có 2N công tắc và n+1 cấp độ điện áp khác nhau bao gồm không

- Ta cũng có thể có các cấp điện áp âm, và do đó tất cả ta có thể nói N pin nghịch lưu multilevel có thể cho 2n+1 cấp độ điện áp

- Các tụ gần hơn với tải có điện áp thấp

- Các tụ gần hơn với điện áp nguồn (Vdc) có điện áp cao cao hơn

- Số lượng các cấp độ phụ thuộc trên số lượng các công tắc trong mạch trong mỗi nhánh

- Nó cũng được biết đến với cái tên Imprecated Cell

- Nó được gọi là nghịch lưu flying là bởi vì số tụ với nguồn điện thế trái đất

 Ưu điểm chính của nghịch lưu dạng này là:

- Mỗi nhánh có thể được dự đoán riêng biệt và một mình

 Nhược điểm của nghịch lưu dạng này là:

- Sạc trước các tụ là cần thiết và nó gây ra sự khó khan

- Kết luận: Là một cấu trúc nổi tiếng có nhiều lợi ích Số lượng các thiết bị sử dụng trong thì khá và cũng được điều khiển có tính kinh tế Nghịch lưu multilevel cho chất lượng công suất tốt

2.2.4 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)

Ứng dụng: cho các ứng dụng điện hữu ích

Một bộ nghịch lưu M bậc bao gồm (M-1)/2 cầu H trong mỗi điện áp của mỗi cầu được cung cấp bởi chính tụ DC của nó

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp lại với

nhau, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC được cấp riêng

Nguồn DC đó được cấp từ acquy, battery,…

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức

điện áp (-V, 0, V) được hình thành Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên

một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (V, 2V, 3V,

-4V,-5V, , -nV), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (V, 2V, 3V, 4V, 5V,…,

nV) và mức điện áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu

áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc

Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và

dv/dt cũng giảm đi như vậy Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần,

cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp

Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa

bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha Cấu trúc này cho

phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3 Mạch cho phép sử dụng các cấu hình

nghịch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn

DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi

sử dụng các máy biến áp ngõ ra

Hình 2.9 Cấu trúc ghép tầng cascade 3 pha thông thường

2.2.5 Nhận xét:

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: Công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt các linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc truyền thống, Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều có những ưu và nhược điểm riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là dạng cascade và dạng NPC Trong luận văn này, do thời gian có hạn nên nhóm em chỉ thực hiện nghiên cứu và phân tích bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade 5 bậc sử dụng cho tải 1 pha

2.3 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade

2.3.1 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ nghịch lưu áp dạng cầu H) chứa bốn công tắc là các transistor hoặc fet và bốn diode mắc đối song song với các công tắc để chống dòng điện chạy ngược dẫn đến hư hỏng các thiết bị

Hình 2.10 Bộ nghịch lưu áp 1 pha

Hình trên mô tả một bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha Trong đó, S1, S2, S3, S4 là các khóa đóng ngắt Điện áp V là điện áp một chiều được cấp từ nguồn của acquy Hình

trên mô tả một bộ nghịch lưu áp 1 pha Trong đó Vdc là điện áp một chiều cấp từ nguồn riêng S1, S2, S3, S4 là các khóa trong bộ nghịch lưu có tác dụng đóng mở để dẫn dòng điện từ nguồn một chiều (DC) chạy xuống tải Cuộn dây và điện trở được

kí hiệu cho tải được điều khiển ở ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 1 pha

Quy tắc kích đóng đối nghịch của các khóa có trong bộ nghịch lưu: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả 2 cùng kích đóng gây ra hiện tượng trùng dẫn (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra

Quy tắc kích đóng đối nghịch của cầu H: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng đồng thời, tại cùng một thời điểm ta chỉ có thể cho 2 công tắc chéo nhau cùng hoạt động Mỗi 2 công tắc hoạt động tạo nên chiều quay của động

cơ Trạng thái cả 2 cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra

Nếu biểu diễn trạng thái được kích đóng của linh kiện là 1 và trạng thái được kích ngắt là 0 thì ta có:

S1 + S4 = 1 S2 + S3 = 1 Với các mục đích của người sử dụng khác nhau, ta tính toán, thiết kế và chọn các khóa sao cho phù hợp nhất Việc điều khiển đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu áp một pha, ta có thể thu được điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ nghịch lưu

1 pha các khóa trên cùng một nhánh (S1, S4) và (S3, S2) không được dẫn cùng một lúc Nếu các khóa này cùng dẫn sẽ có điện áp chạy từ nguồn điện xuống GND gây ra hiện tượng trùng dẫn

Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra như sau: khóa S1 và S2 đồng thời được

Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha cũng có thể làm tăng điện áp ở ngõ ra để có thể điều khiển được tải xoay chiều với dòng lớn

2.3.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade)

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade) như đã giới thiệu ở trên, có cấu tạo gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau Một bộ nghịch lưu áp dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu

áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau Vì trong giới hạn đồ án có 5 bậc nên suy ra sẽ

có 2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha được ghép nối tiếp với nhau

Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu

1 pha ghép nối tiếp với nhau như đã được nêu ở phía trên, mỗi bộ được cung cấp bởi

1 nguồn điện áp DC riêng biệt Điện áp ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha

có 5 bậc tương ứng là: -2 Vdc, - Vdc, 0, + Vdc, +2 Vdc

Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2,…,-n*Vd/2); n mức điện áp dương (Vd/2, 2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0

Hình 2.11 Cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade

Hình trên mô tả cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc 3 pha dạng cascade Khi đó ở ngõ ra có thể điều khiển được tải xoay chiều ba pha (với A, B, C: kí hiệu các pha) Vdc1, Vdc2, Vdc3, Vdc4, Vdc5, Vdc6 là các nguồn DC riêng biệt

Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích đóng đối nghịch:

Hình 2.12 Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc

Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common - mode voltage):

3

Hình 2.13 Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

Hình trên mô tả dạng sóng điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu 5 bậc Ở hình trên, ta có thể thấy rõ có 5 bậc điện áp được hình thành Chúng có dạng sóng gần sin hơn, điện áp tăng 5 bậc giảm 5 bậc trong 1 chu kỳ

2.4 Tìm hiểu về card DSP TMS320F28335

2.4.1 Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335

Bộ DSP được lựa chọn là của hãng Texas Intrument (TI) mang số hiệu 320F28335 là thương hiệu uy tín, các khối lệnh được hỗ trợ trong Matlab khá đầy đủ, mang các đặc điểm cơ bản mà đa số các DSP khác đều có Mô hình bộ nghịch lưu áp

1 pha 5 bậc được xây dựng theo phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng kỹ thuật

so sánh giữa sóng tam giác và sóng sin mẫu để tạo ra xung kích cho các IGBT (hay còn gọi là phương pháp sin PWM) So với phương pháp điều chế sáu bước phương pháp này sẽ tận dụng được khả năng phát xung tần số cao của DSP, giúp cho dòng điện qua tải có dạng gần sin hơn Giữa các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) như HPWM và SPWM thì phương pháp sin PWM có phần lý thuyết khá đơn giản, dễ hiểu, rất thích hợp cho việc nghiên cứu đề tài trong một khoảng thời gian hạn chế

Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngoài của Chp TMS320F28335

Hình 2.15: Cấu tạo bên trong của Chip TMS320F28335

Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời

Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế của Card DSP TMS320F28335 khi gắn lên Kit C2000

- Các chân 00 đến 11 là ePWM của 2 kênh A và B , chân 12 đến 17 là HRPWM,

có 2 nhóm

- ADC kênh A và kênh B , còn lại là các GPIO

- Thiết bị TMS320F28335 là vi điều khiển thuộc TMS320C28x/ DelfinoTM, ứng dụng đầy đủ nhất cho những nhu cầu điều khiển khác nhau Thiết bị này tóm lược những đặc trưng quan trọng nhất

 Ứng dụng:

- Hệ thống hỗ trợ điều khiển được đề xuất

- Trong các chung cư tự động

- Trong các nhà máy tự động

- Theo dõi và điều khiển tòa nhà thông minh để tạo nên sự an toàn, hiệu năng

và môi trường thú vị

- Phương tiện có sử dụng điện

- Điều khiển động cơ

- Phân phối công suất

- Kiểm tra và đo lường

 Đặc điểm của Vi điều khiển TMS320F2833x

 Các tính năng:

- Được thiết kế theo công nghệ CMOS với các đặc tính:

+ Tần số hoạt động lên đến 150 MHz (thời gian điều chế 6.67 nS) + Lõi với mức điện áp 1.8/1.9V, thiết kế I/O với điện áp 3.3V

- Chứa 6 kênh điều khiển DMA (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM)

- GPIO0 đến GPIO63 có thể được kết nối đến 1 trong 8 ngắt ngoài