TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp đã dẫn đến nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường, một vấn đề đang thu hút sự chú ý của công chúng trong những năm gần đây Tại Việt Nam, đã xảy ra nhiều cuộc tranh cãi giữa người dân và các nhà máy công nghiệp về việc xả thải chất độc hại ra môi trường Để khắc phục tình trạng này, nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, đang chuyển hướng sang sử dụng năng lượng sạch từ thiên nhiên như năng lượng gió và năng lượng mặt trời nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Bộ nghịch lưu (Inverters) là thành phần thiết yếu trong các hệ thống sản xuất năng lượng sạch Nghiên cứu và tối ưu hóa bộ nghịch lưu không chỉ giúp cải thiện hiệu quả biến đổi và sử dụng năng lượng, mà còn giảm chi phí lắp đặt, từ đó thúc đẩy việc phổ biến nguồn năng lượng này đến với cộng đồng.
Các bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường (VSI) vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định [1-2] Cụ thể như:
- Không chịu được sự cố ngắn mạch trên cùng một nhánh nghịch lưu dẫn tới hư hỏng linh kiện chuyển mạch (IGBT)
Bộ chuyển đổi nguồn bậc thấp hoạt động bằng cách cung cấp điện áp xoay chiều (AC) ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều (DC) đầu vào Để đạt được điện áp AC mong muốn trong hệ thống năng lượng tái tạo, thường cần phải kết hợp bộ chuyển đổi điện áp DC-DC với bộ biến đổi điện áp xoay chiều (VSI) hoặc lắp đặt máy biến áp xoay chiều Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng có thể làm giảm hiệu suất hệ thống, trong khi lắp đặt máy biến áp lại gia tăng kích thước, trọng lượng và chi phí tổng thể của hệ thống.
Bộ tăng áp DC-DC
Bộ nghịch lưu DC-AC
Hình 1.1 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều
Bộ nghịch lưu DC-AC
Bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số đang gặp nhiều hạn chế, dẫn đến nhu cầu nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu mới Các chuyên gia và kỹ sư điện trên toàn thế giới liên tục làm việc để cải thiện chất lượng điện năng, giảm chi phí lắp đặt và tăng hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng tái tạo Sự gia tăng số lượng bài báo nghiên cứu được công bố trên các tạp chí uy tín như IEEE và IET cho thấy mối quan tâm ngày càng lớn đối với bộ nghịch lưu trong hệ thống điện năng lượng tái tạo.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất cho phép tăng điện áp
Bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) với ngõ vào DC và ngõ ra AC đã đánh dấu một bước tiến lớn trong công nghệ biến đổi năng lượng Mạng trở kháng trung gian của ZSI bao gồm hai cuộn cảm và hai tụ điện có thông số bằng nhau, cùng với một diode Khác với bộ nghịch lưu truyền thống chỉ có hai trạng thái hoạt động là ngắn mạch và trạng thái active, ZSI mở ra nhiều khả năng mới trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Hình 1.3 Bộ nghịch lưu Z-Source
Cho đến nay đã có rất nhiều các cấu hình liên quan được công bố như: Novel Z- source, Quasi Z-source…là các cải tiến từ nghịch lưu nguồn Z
Năm 2008, Quasi-Z-Source Inverter (qZSI) đã được giới thiệu như một biến thể cải tiến từ ZSI, mang lại nhiều ưu điểm đáng kể qZSI không chỉ giảm nguồn đặt vào và trị số linh kiện, mà còn giảm số lượng phần tử thụ động, đơn giản hóa phương pháp điều khiển Đặc biệt, qZSI cải thiện dòng điện ngõ vào liên tục, khắc phục một hạn chế lớn của cấu hình ZSI trước đó.
Hình 1.4 Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dòng ngõ vào liên tục.
Trong giai đoạn hiện nay, các bộ nghịch lưu chủ yếu là nghịch lưu bậc thấp, không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao, do đó, các bộ qZSI nhiều bậc đã được nghiên cứu Năm 2014, cấu hình qZSI NPC 3 bậc đã được giới thiệu trong một bài báo của tạp chí IEEE, với mạng trở kháng trung gian sử dụng hai mạng trở kháng đối xứng, bao gồm bốn cuộn cảm, bốn tụ điện và hai diode Bộ qZSI NPC 3 bậc này có khả năng tăng áp qua một chặng biến đổi năng lượng, cung cấp điện áp ngõ ra AC ba bậc Tuy nhiên, việc tăng số lượng linh kiện thụ động công suất lớn trong mạng trở kháng sẽ làm tăng kích thước và chi phí lắp đặt của hệ thống, không phù hợp với các ứng dụng sử dụng công suất vừa và nhỏ.
Hình 1.5 Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC
Vào năm 2016, bài báo “A three level LC-Switching Based Voltage Boost NPC Inverter” được công bố bởi IEEE, nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC Bộ nghịch lưu này không chỉ tăng điện áp đầu vào mà còn giảm thiểu số lượng linh kiện thụ động trong mạng trở kháng trung gian nhờ vào việc sử dụng linh kiện chuyển mạch tích cực bổ sung, từ đó giải quyết tạm thời vấn đề kích thước và trọng lượng của các bộ nghịch lưu.
Hình 1.6 Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc hình T vẫn còn là một hướng nghiên cứu mới
Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình
T tăng áp bằng chuyển mạch LC thực hiện trong đồ án là ThS Đỗ Đức Trí - Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã có những đóng góp đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu nghịch lưu hình T Năm 2017, bài báo "Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification" của thầy đã được tổ chức IEEE thông qua và phát hành rộng rãi đến các nhà nghiên cứu toàn cầu Nghiên cứu này được thực hiện tại phòng "Thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao" - D405, nơi tập trung vào việc phân tích và phát triển các cấu hình cũng như thuật toán cho nghịch lưu hình T tăng áp.
Bài báo "Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count" được phát hành bởi tạp chí IET Power Electronics vào năm 2017 đã giới thiệu một cấu hình nghịch lưu mới, giảm bớt một cuộn cảm ở mạng trở kháng trung gian và giảm thêm 6 diode so với mạch nghịch lưu NPC trước đó Cấu hình này không chỉ giảm đáng kể số lượng linh kiện thụ động mà còn có khả năng chịu lỗi trong các trường hợp như lỗi ngắn mạch và lỗi mạch hở nhờ vào kỹ thuật điều chế PWM đặc biệt.
Bộ nghịch lưu mà nhóm nghiên cứu dựa trên bài báo “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count” đã được cải tiến bằng cách thay thế hai IGBT ở nhánh hình T bằng một IGBT kẹp bởi cầu Diode, giúp cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra hiệu quả hơn So với bộ nghịch lưu ba pha ba bậc truyền thống, bộ nghịch lưu cải tiến này sở hữu các đặc tính vượt trội hơn.
Có khả năng tăng áp DC đầu vào, qua đó giảm số lượng nguồn pin hay ắc- quy ngõ vào, giảm chi phí lắp đặt
Hệ thống chỉ cần một lần chuyển đổi năng lượng từ DC sang AC, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của hệ thống.
Giảm điện áp và dòng đặt lên các linh kiện chuyển mạch IBGT
Sử dụng ít linh kiện thụ động hơn trong mạng trở kháng trung gian giữa nguồn
DC ngõ vào và nhánh nghịch lưu
Cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra tốt hơn
Mạch có khả năng chịu lỗi ngắn mạch nhờ vào sự hiện diện của mạng trở kháng trung gian giữa nguồn đầu vào và nhánh nghịch lưu Bên cạnh đó, lỗi mạch hở có thể được khắc phục thông qua việc điều chỉnh kỹ thuật điều chế.
Hình 1.7 Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp.
Mục tiêu
Mục tiêu của việc phát triển bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp là cải thiện điện áp đầu ra với độ gợn sóng thấp hơn và tần số ổn định hơn.
Dựa trên cấu hình tham khảo từ bài báo “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count”, nhóm đã cải tiến linh kiện chuyển mạch ở nhánh hình T của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp bằng cách sử dụng cầu diode kẹp, giúp cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra hiệu quả hơn Cấu hình nghịch lưu mới này không chỉ giảm bớt ba IGBT trên nhánh hình T mà còn giảm số lượng linh kiện trên mạch kích kèm theo Hơn nữa, việc điều khiển chỉ một IGBT thay vì hai trên mỗi nhánh T cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế trở nên đơn giản hơn.
Bộ nghịch lưu hoạt động với nguồn 𝑉 và có mạng trở kháng trung gian bao gồm cuộn cảm, hai tụ điện, bốn diode, và hai linh kiện chuyển mạch tích cực Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM được sử dụng để điều khiển các linh kiện chuyển mạch Card DSP TMS320F28355 được lập trình để tạo xung ngõ ra cho mạch kích hoạt, đồng thời sử dụng board mạch FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 để thực hiện các thuật toán logic.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu và thu thập tài liệu liên quan đến mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp, với trọng tâm vào khả năng chịu lỗi của hệ thống.
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển
NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
NỘI DUNG 4: Xây dựng mô hình
NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
NỘI DUNG 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án.
Giới hạn
Nghịch lưu ba pha ba bậc dạng hình T tăng áp
Chỉ thực hiện sửa lỗi cho trường hợp một nhánh nghịch lưu của pha bất kỳ bị lỗi mất pha
Điện áp cực ngõ ra đỉnh là ±100 VAC
Đề tài này còn mới mẻ, do đó tài liệu nghiên cứu hiện có còn hạn chế và chủ yếu là từ nước ngoài, yêu cầu thời gian để nghiên cứu và tìm hiểu kỹ lưỡng.
Đề tài chỉ xây dựng mô hình với mục đích kiểm chứng giữa lý thuyết và thực tế
Đề tài này được thực hiện chủ yếu nhờ vào các linh kiện và trang thiết bị có sẵn tại phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh.
Các trang thiết bị gây ra sai số trong quá trình thực nghiệm.
Bố cục
Chương này trình bày vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và bố cục đồ án
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Xây dựng hệ thống Đưa ra phương án thực hiện, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học
Chương 4: Thi công mô hình
Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm đưa ra nhận xét và đánh giá
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được Có hướng phát triển cho đề tài
Tài liệu tham khảo, phụ lục
Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiên đồ án tốt ngiệp
Hướng dẫn sử dụng phần mềm CCS và Quartus II.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều, giúp cung cấp năng lượng cho các tải xoay chiều hoạt động hiệu quả.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp với tính chất điện áp, trong khi nguồn cho bộ nghịch lưu dòng mang tính chất dòng điện Các bộ nghịch lưu này được phân loại thành bộ nghịch lưu áp nguồn và bộ nghịch lưu dòng nguồn, thường được gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Khi nguồn điện đầu vào và đầu ra khác nhau, chẳng hạn như bộ nghịch lưu chuyển đổi điện áp một chiều thành dòng điện xoay chiều, chúng được gọi là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp, hay còn được biết đến là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các tải xoay chiều như động cơ không đồng bộ và lò cảm ứng thường có tính cảm kháng, khiến dòng điện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, bộ nghịch lưu thường được trang bị linh kiện đóng ngắt để kiểm soát quá trình ngắt dòng điện hiệu quả.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng và tải có tính chất dung kháng (như động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc điện áp mạch tải Trong những tình huống này, linh kiện bán dẫn thích hợp để sử dụng là thyristor (SCR).
Bộ nghịch lưu là thiết bị cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều đầu ra từ nguồn điện một chiều, có thể là acquy, pin hoặc các dạng phức tạp hơn như khả năng kích đóng/ngắt dòng điện Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, transistor BJT, MOSFET và IGBT thường được sử dụng làm công tắc, trong khi ở các ứng dụng công suất lớn, GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch là lựa chọn phổ biến.
Các hệ thống phát điện tái tạo cung cấp nguồn điện sơ cấp đa dạng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc và yêu cầu vận hành Để đảm bảo khả năng truyền tải hiệu quả, cần thiết phải sử dụng thiết bị biến đổi điện tử công suất, cho phép điều khiển linh hoạt khi kết nối với lưới điện hoặc tải.
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
- Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)
- Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
- Dạng ghép tầng (Cascade inverter).
Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T
2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T
Hình 2.1 Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T
Nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T, như được mô tả trong hình 2.1, là một mạch nghịch lưu hiệu suất cao, vượt trội hơn so với các mạch nghịch lưu truyền thống Do đó, nó thường được áp dụng trong mạch nghịch lưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Mạch nghịch lưu đa bậc hình T có hiệu suất cao hơn so với các mạch nghịch lưu truyền thống, đồng thời sử dụng ít linh kiện đóng ngắt hơn, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng.
Về cơ bản mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T hoạt động sẽ có 3 mức trạng thái: + Sa1 dẫn: Điện áp ngõ ra là +Vdc/2
+ Sa3 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng 0
+ Sa2 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng -Vdc/2
Mạch nghịch lưu hình T hoạt động với 6 chế độ cho mỗi pha bao gồm 3 chế độ với dòng điện tích cực và 3 chế độ dòng thụ động:
Hình 2.2 Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T
Hình 2.3 Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T
Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
ÁP BẰNG CHUYỂN MẠCH LC
2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
Nghịch lưu sử dụng trong ứng dụng hiện nay phân làm hai loại cơ bản: Nghịch lưu nguồn áp - NLNA, nghịch lưu nguồn dòng - NLND
Nghịch lưu nguồn áp là thiết bị phổ biến với đặc điểm nổi bật là yêu cầu đầu vào cần có tụ điện dung lớn Điện áp đầu ra của nghịch lưu bị giới hạn bởi điện áp một chiều và không cho phép xảy ra hiện tượng ngắn mạch ở đầu ra.
Nghịch lưu nguồn dòng (NLND) được sử dụng trong các ứng dụng có công suất lớn với các đặc điểm nổi bật như: đầu vào cần có điện cảm lớn và yêu cầu bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện ổn định Điện áp đầu ra của NLND phải cao hơn điện áp đầu vào và không được phép hoạt động ở chế độ hở mạch Do đó, cả hai cấu hình nguồn năng lượng không đổi (NLNA) và NLND chỉ có khả năng thực hiện chức năng tăng áp hoặc giảm áp.
Hệ thống phát điện bằng pin năng lượng mặt trời cung cấp nguồn DC có điện áp thấp và không ổn định, do đó cần một mạch nghịch lưu để chuyển đổi DC sang AC và tăng điện áp đầu ra cho phù hợp với các thiết bị sinh hoạt trong hộ gia đình, chung cư, nhà xưởng hoặc hòa vào điện lưới quốc gia Mạch nghịch lưu hình T đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho các hệ phát điện phân tán như pin năng lượng mặt trời, fuel cell và sức gió, phù hợp với lưới điện hiện nay.
Hình 2.4 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
Cấu trúc mạch động lực đồng nhất không phân biệt rõ các tầng biến đổi công suất, với điện áp DC đầu vào được tăng áp nhờ chuyển mạch từ các khóa S1 và S2 Cuộn cảm L1 duy trì dòng điện liên tục trong quá trình chuyển mạch, trong khi giá trị của tụ C1 và C2 được thiết kế bằng nhau để cân bằng điện áp So với mạch nghịch lưu NPC truyền thống, mạch nghịch lưu hình T giảm được 3 IGBT và 1 cuộn dây, đồng thời sử dụng mạch nghịch lưu hình T điều khiển bằng cầu diode kẹp giúp giảm 1 IGBT cho mỗi nhánh giữa, từ đó giảm bớt xung kích điều khiển và các IC liên quan Đề tài nghiên cứu sẽ tập trung vào mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T điều khiển bằng cầu diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC, nhằm ứng dụng cho hệ phát điện sử dụng pin năng lượng mặt trời.
Hình 2.5 Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC được giải thích dựa trên mạch điện tương đương 1 pha như hình 2.6
Hình 2.6 Mạch điện tương đương 1 pha
Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC hoạt động dựa trên ba trạng thái chính: mức “không”, không ngắn mạch và ngắn mạch Trong hai trường hợp ngắn mạch và không ngắn mạch, dòng điện qua cuộn cảm phải liên tục, do đó, giá trị cuộn cảm cần đủ lớn để duy trì dòng điện Nếu cuộn cảm có giá trị nhỏ, dòng điện sẽ có độ đập mạch lớn và có thể bị gián đoạn Giá trị của các cuộn cảm và tụ điện được thiết kế và lựa chọn tùy thuộc vào công suất yêu cầu của phụ tải, nhằm đảm bảo độ đập mạch của dòng điện và điện áp cho phép của mạch nghịch lưu.
Xét trường hợp không ngắn mạch:
Trong trường hợp không có hiện tượng ngắn mạch, cuộn cảm thực hiện quá trình nạp và xả năng lượng qua mạch nghịch lưu để cấp điện cho phụ tải, dẫn đến điện áp đầu ra có hai giá trị là +Vdc/2 hoặc -Vdc/2 Như thể hiện trong hình 2.7, các IGBT S1, S2, Sa3, Sa2 được mở, trong khi IGBT Sa1 đóng lại để tạo ra điện áp +Vdc Do đó, điện áp ngõ ra trong trường hợp không ngắn mạch sẽ được xác định như trên.
Vout = +Vdc/2 hoặc Vout = -Vdc /2 (1) Điện áp đặt lên cuộn cảm L trong trường hợp không ngắn mạch là:
Hình 2.8 Trạng thái -VDC ở trường hợp không ngắn mạch Ở hình 2.8, các IGBT S1, S2, Sa3, Sa1 sẽ mở, IGBT Sa2 sẽ đóng để tạo điện áp -Vdc
Dòng điện đặt lên các phần tử trong trạng thái không ngắn mạch là:
Xét trường hợp mức “không”
Trong trường hợp mức "không", các IGBT S1, S2, Sa1 và Sa2 sẽ mở, trong khi nhánh nghịch lưu giữa IGBT Sa3 được đóng lại để tạo ra điện áp 0 Điện áp của mạch nghịch lưu ở trạng thái này là 0.
Vout = 0 (5) Điện áp đặt lên cuộn cảm L trong trạng thái mức “không” là:
Xét trường hợp ngắn mạch:
Trong trường hợp ngắn mạch, có thể xảy ra hiện tượng ngắn mạch một, hai hoặc cả ba IGBT trong mạch nghịch lưu hình T Ví dụ, như hình 2.10 minh họa, hai IGBT Sa1 và Sa2 của pha A bị ngắn mạch, dẫn đến việc cả ba IGBT Sa1, Sa2 và Sa3 sẽ đóng đồng thời với hai IGBT S1 và S2.
Trong trường hợp ngắn mạch, các cuộn cảm nạp điện từ nguồn DC và tụ điện, duy trì dòng điện tải qua hệ thống Diode của các IGBT S1, S2, Sa1 và Sa2 Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp đầu ra sẽ giảm xuống 0 do mạch nghịch lưu bị ngắn mạch đầu vào.
Vout = 0 (7) Điện áp đặt trên cuộn cảm L trong trường hợp ngắn mạch là:
Dòng điện trên các phần tử trong mạch ở trường hợp ngắn mạch là:
Thời gian ngắn mạch trong chu kỳ sóng mang của các khóa IGBT trong mạch nghịch lưu được ký hiệu là D, do đó thời gian không ngắn mạch của các khóa IGBT sẽ là 1-D Hệ số điều chế độ rộng xung được ký hiệu là M.
Trong một chu kỳ, điện áp trung bình qua cuộn cảm bằng 0, dẫn đến phương trình: (Vdc – (VC1 + VC2))(1 - D) + (Vdc + VC1 + VC2)D = 0 Do điện áp trên cả hai tụ là bằng nhau.
(13) Điện áp đỉnh ngõ ra pha AC:
Gọi B là hệ số tăng áp của mạch nghịch lưu, ta có:
Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
Điều chế độ rộng xung (PWM) là kỹ thuật điều chế mã hóa thông điệp thành tín hiệu xung, chủ yếu được sử dụng để điều khiển nguồn điện cho các thiết bị điện, đặc biệt là tải quán tính như động cơ PWM cũng là một trong hai thuật toán chính trong bộ sạc pin quang điện năng lượng mặt trời, bên cạnh giám sát điểm công suất cực đại.
Tần số đóng cắt PWM cần phải cao hơn tần số ảnh hưởng đến tải để đảm bảo dạng sóng đến tải được mịn màng Ưu điểm nổi bật của PWM là tổn hao công suất trên thiết bị chuyển mạch rất thấp; khi khóa chuyển mạch tắt, không có dòng điện đi qua, và khi bật, nguồn được đưa tới phụ tải mà hầu như không có sụt áp Tổn hao công suất, được tính bằng tích của điện áp và dòng điện, gần như bằng không trong cả hai trường hợp Hơn nữa, PWM hoạt động hiệu quả với điều khiển kỹ thuật số, cho phép dễ dàng thiết lập chu kỳ làm việc cần thiết nhờ vào tính chất bật/tắt.
- PWM được sử dụng để điều khiển các cơ cấu servo
- PWM là một dạng điều chế tín hiệu trong viễn thông
- PWM có thể được sử dụng để kiểm soát lượng điện được cung cấp
- PWM cũng được sử dụng trong các bộ điều chỉnh điện áp
- Hiệu ứng âm thanh và khuếch đại âm thanh
Kỹ thuật điện trong mạch nghịch lưu truyền thống thường tránh trường hợp hai khóa trên một nhánh, hay còn gọi là ngắn mạch ngõ ra, vì điều này có thể gây hư hỏng thiết bị điện tử công suất Tuy nhiên, mạch nghịch lưu với mạch tăng áp chuyển mạch bằng LC cho phép tồn tại trạng thái ngắn mạch trong các điều kiện hoạt động của mạch, mở ra khả năng mới cho ứng dụng trong lĩnh vực này.
Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát Đề tài nhóm thực hiện sẽ tiến hành điều chế độ rộng xung dựa trên phương pháp:
- So sánh xung tam giác với điện áp DC (đường thẳng)
- So sánh xung tam giác với điện áp AC (Sin)
Hình 2.12 Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A Điện áp tham chiếu AC Sin:
3 ref a ref b ref c v M Sin f t v M Sin f t v M Sin f t
(16) Điện áp tham chiếu AC Sin đảo:
3 ref an ref bn ref cn v M Sin f t v M Sin f t v M Sin f t
Trong đó: vref_a, vref_b, vref_c, vref_an, vref_bn, vref_cn là điện áp tham chiếu điều khiển ngõ ra của pha A, B, C
M, fo lần lượt là chỉ số điều chế và tần số ngõ ra
Giải thuật điều chế xung điều khiển cho các khóa công suất thực hiện trong đồ án được thể hiện ở hình 2.12 có thể giải thích như sau:
- Tại mỗi pha ta so sánh 2 sóng Sin lệch pha nhau 180 0 là Sin(t) ở (16) và -Sin(t) ở (17) với sóng mang tần số cao Vcarr
- Với 3 pha thì các bộ sóng Sin (Sin(t) và -Sin(t)) này sẽ lệch pha nhau 120 0 ở biểu thức (16) và biểu thức (17)
Các xung ngắn mạch được tạo ra bằng cách so sánh sóng mang với hai tín hiệu điện áp cố định, được ký hiệu là Vsh (Vshoot_high) và Vsl (Vshoot_low) Biên độ của tín hiệu Vdc sẽ ảnh hưởng đến giá trị độ lợi tăng áp.
Để đảm bảo rằng tình trạng ngắn mạch không ảnh hưởng đến hoạt động, trạng thái ngắn mạch được tích hợp vào trạng thái "không" trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, như minh họa trong hình 2.12.
- Các xung ngắn mạch được cộng thêm vào các khóa trên cùng một nhánh để
Việc ngắn mạch tín hiệu cổng ‘S1’ và ‘S2’ đến các thiết bị chuyển mạch trong mạng trung gian giúp nâng cao điện áp một chiều đầu vào, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Trong đó: va, vb, vc, van, vbn, vcn là điện áp ngõ ra của pha A, B, C
Vm, fo lần lượt là điện áp ngõ ra cực đại và tần số ngõ ra
Sau khi gặp sự cố: va = 0 (23)
Sau khi xảy ra sự cố trong một pha, các pha còn lại B và C sẽ điều chỉnh góc pha trong thuật toán điều khiển, với độ lệch pha giữa B và C là 60 độ.
Tính hiệu đưa vào bộ nghịch lưu là sự kết hợp giữa xung ngắn mạch và tín hiệu phát ra từ việc so sánh các tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng mang.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Giới thiệu
Sơ đồ khối hệ thống
Trình bày chức năng của từng khối trong sơ đồ
Trình bày chức năng những linh kiện sử dụng trong từng khối.
Sơ đồ khối hệ thống và chức năng các khối
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
NGUỒN DC ĐẦU VÀO NGUỒN
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha
3.2.2 Chức năng của từng khối
Khối máy tính: Nạp chương trình cho card DSP thông qua phần mềm Code Composer Studio Đọc các giá trị biến nhớ, thanh ghi khi DSP hoạt động
Khối DSP: Nhận chương trình từ máy tính, tạo xung ngõ ra cho mạch kích
Khối FPGA: thực hiện các thuật toán logic
Khối nguồn: Nguồn DC 5V cấp cho DSP, FPGA, ±12V cho mạch kích và mạch cảm biến
Khối mạch kích: nhận tín hiệu xung từ card DSP 3.3V chuyển thành ±15V kích cho IGBT hoạt động
Khối mạch cảm biến: Đọc giá trị điện áp ngõ ra, đưa về DSP để nhận diện và xử lý lỗi
Khối tải 3 pha: thường sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha, thiết bị công nghiệp, thiết bị gia dụng trong gia đình,…
Khối nguồn DC đầu vào: là nguồn một chiều cần nghịch lưu, ví dụ: ắc-qui, nguồn pin năng lượng mặt trời,…
Giới thiệu thành phần linh kiện trong các khối
DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) là một loại vi xử lý đặc biệt, bao gồm các thành phần cơ bản như CPU, bộ nhớ và tập lệnh Điểm khác biệt chính của DSP là thiết kế phần cứng và tập lệnh được tối ưu hóa để tăng tốc độ xử lý dữ liệu, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thời gian thực Trên thị trường có hàng trăm loại vi xử lý, mỗi loại được sản xuất cho những lĩnh vực cụ thể DSP được tối ưu cho xử lý tín hiệu, giúp tiết kiệm thời gian, năng lượng và tài nguyên so với các bộ xử lý đa mục đích.
TMS320F28335 là vi xử lý tín hiệu số 32 bit thuộc dòng giá rẻ C2000 của Texas Instruments, được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp tự động hóa, robot, điện tử công suất, cùng các lĩnh vực cơ điện tử tiên tiến khác DSP này được trang bị nhân hỗ trợ tính toán số thực với dấu phẩy động (FPU), mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng.
Hình 3.2 Hình ảnh Kit DSP TMS320F28335 Đặc điểm cơ bản của TMS320F28335:
- Công nghệ CMOS tĩnh hiệu năng cao: lên đến 150MHz (6.67ns Cycle Time)
- 512 KB bộ nhớ Flash, 68 KB Ram
- Có 16 kênh ADC 12 bit (0 - 3V) cho phép thời gian chuyển đổi nhanh (80ns)
- 18 kênh PWM trong đó có 6 kênh tốc độ cao sử dụng chức năng truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA
- Có 96 ngắt, 88 chân giao tiếp vào ra GPIO
- Giao tiếp: CAN, SCI, SPI, I2C, McBSP.
Hình 3.3 Sơ đồ tổng quan các các khối của TMS320F28335
Code Composer Studio (CCS) là phần mềm lập trình DSP do Texas Instruments (TI) phát triển, giúp khách hàng tiếp cận và phát triển ứng dụng với sản phẩm của TI Với giao diện trực quan và dễ sử dụng, người dùng có thể lập trình bằng các ngôn ngữ phổ biến.
C, C++ để lập trình một cách dễ dàng Ngoài ra, việc phát triển các ứng dụng với card DSP TMS320F28335 còn được hỗ trợ tối đa bởi các tài nguyên phong phú từ TI như các thư viện, chương trình mẫu, tài liệu giảng dạy…
3.3.2 Giới thiệu FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 a Sơ lược về FPGA
FPGA, được thiết kế bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, cho phép tích hợp hàng triệu phần tử bán dẫn vào một vi mạch Với khả năng chứa từ 100.000 đến hàng trăm ngàn cổng logic, FPGA hoạt động bằng cách sử dụng các phần tử logic theo dạng song song, khác với vi điều khiển dựa trên cấu trúc CPU thực thi mã lệnh theo dạng tuần tự.
FPGA, viết tắt của "Field-programmable gate array", là một loại mạch tích hợp lớn với cấu trúc mảng phần tử logic có thể lập trình bởi người dùng Một vi mạch FPGA bao gồm nhiều bộ phận khác nhau.
Các khối logic cơ bản có thể lập trình được
Hệ thống mạch liên kết lập trình được
Các phần tử thiết kế sẵn khác như Ram, Rom, nhân vi xử lý…
FPGA là một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng giống như ASIC, nhưng không đạt hiệu suất tối ưu như ASIC Tuy nhiên, FPGA có ưu điểm vượt trội về khả năng tái cấu trúc trong quá trình sử dụng Hiện nay, FPGA còn cho phép tái cấu trúc một bộ riêng lẻ mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của các bộ phận khác.
FPGA cho phép nạp chương trình không giới hạn, nhưng dữ liệu sẽ bị mất khi ngắt nguồn, giống như RAM trong máy tính Do đó, mỗi khi tắt và bật lại nguồn, FPGA cần phải được nạp lại Để duy trì chức năng đã lập trình, cần gắn thêm ROM bên ngoài, giúp lưu trữ file và tự động nạp lại cho FPGA khi có nguồn trở lại FPGA còn sở hữu nhiều tài nguyên định tuyến đặc biệt, phục vụ cho các chức năng toán học như bộ đếm, bộ cộng và bộ so sánh.
FPGA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu số DSP, hàng không, vũ trụ, quốc phòng, phân tích nhận dạng hình ảnh và nhận dạng giọng nói Với tính linh động cao, FPGA có khả năng giải quyết các bài toán phức tạp nhanh chóng Thêm vào đó, nhờ vào số lượng cổng logic lớn, FPGA rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khối lượng tính toán lớn và hoạt động trong thời gian thực Một trong những sản phẩm nổi bật là Board FPGA Cyclone II EP2C5T144C8.
Altera và Xilinx là hai thương hiệu hàng đầu trong ngành sản xuất FPGA, cung cấp sản phẩm cho thị trường toàn cầu Các loại FPGA của họ có kích thước nhỏ gọn và chi phí hợp lý, nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng đầy đủ nhu cầu của các dự án kỹ thuật.
Hình 3.4 Hình ảnh FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 Đặc điểm kỹ thuật cơ bản:
- Điện áp nguồn cung cấp: 5V
- Tổng số phần tử logic (LEs): 4608
- Số chân I/O cho người dùng: 89
- Tổng bộ nhớ Ram: 119 808 bit
- Số bộ nhân 9-bit (Embedded multipliers 9-bit elements): 26
- Tổng số PLL (phase-locked loop): 2
Việc sử dụng FPGA mang lại lợi thế lớn nhờ khả năng tái cấu trúc phần cứng dễ dàng thông qua phần mềm Altera Quartus II, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển tại các phòng thí nghiệm Mặc dù linh kiện IC logic rời trên board mạch in có giá thành rẻ hơn, nhưng chúng không thể tái sử dụng cho các lần sau.
Các linh kiện chính được sử dụng trong mạch kích:
Function Vin GND -Vo 0V +Vo
Hình 3.6 Sơ đồ và chức năng các chân của G1215S-1W
Thông số kỹ thuật cơ bản:
- Điện áp cung cấp: 12VDC
- Điện áp ngõ ra: ±15VDC
- Dòng ngõ ra (min – max): ±4 mA đến ±33 mA
- Điện áp cách ly: 6000VDC
- Công suất ngõ ra tối đa: 1W
- Tần số đóng cắt lên đến: 50kHz
Photocoupler, hay còn gọi là phần tử cách ly quang (opto-isolator, optocoupler), là một thiết bị bán dẫn cho phép truyền tín hiệu giữa hai mạch điện bị cách ly điện Cấu trúc của opto bao gồm một LED phát sáng và một LED thu nhận, thường là photodiode hoặc phototransistor, được tích hợp trong một vỏ bọc kín Thiết bị này thường được sử dụng trong các hệ thống điện-điện tử công suất lớn nhằm ngăn chặn các xung điện áp cao hoặc các phần mạch công suất lớn gây hư hỏng cho các ngõ điều khiển công suất nhỏ trên bo mạch, chẳng hạn như các ngõ ra của vi xử lý.
Hình 3.7 Hình ảnh opto TLP250
Thông số kỹ thuật cơ bản:
- Điện áp cung cấp: 10-35 VDC
- Dòng điện cung cấp: 11mA
- Dòng điện ngõ vào cho phép tối đa: 5mA
- Dòng điện ngõ ra tối đa: ±1.5A
- Thời gian chuyển mạch: 1.5 às (max)
- Điện áp cách ly tối thiểu: 2500Vrms
3.3.4 Mạch nguồn DC đầu vào
Mạch nguồn một chiều cho bộ nghịch lưu được cung cấp bởi Variac, giúp đảm bảo an toàn trong quá trình thực nghiệm Nguồn điện sẽ được tăng dần thông qua Variac, sau đó đi qua máy biến áp và mạch chỉnh lưu cầu để chuyển đổi thành điện áp DC Cuối cùng, điện áp DC được lọc phẳng qua bộ tụ và cấp cho mạch công suất.
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
Hình 3.8 Sơ đồ khối tạo nguồn DC đầu vào
Chức năng: Tạo điện áp nghịch lưu DC-AC
Nguyên lý hoạt động: Các linh kiện đóng ngắt IGBT sẽ được điều khiển bằng các xung kích phù hợp để tạo ra dòng điện liên tục ở ngõ ra
Mạch Boost là một mạch điện bao gồm 4 đi-ốt, 2 IGBT, 2 tụ điện và một cuộn cảm, có chức năng nâng cao điện áp DC đầu vào cho mạch nghịch lưu Mạch này hoạt động dựa trên nguyên lý ngắn mạch trong kỹ thuật điều chế PWM, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng điện tử.
Linh kiện IGBT FGL-40N150D được sử dụng trong mạch nghịch lưu, với đi-ốt công suất tích hợp bên trong, cho phép hoạt động hiệu quả ở tần số cao.
Hình 3.9 Hình ảnh IGBT FGL40N150D
Thông số kỹ thuật cơ bản:
- Dòng qua Collector (Ic): 40A (max)
- Nhiệt độ hoạt động tối đa: 150ºC
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
- Phần cứng: Bao gồm quá trình thi công mạch, lắp ráp, kiểm tra mạch, cách đóng gói hệ thống để dễ dàng thao tác
- Phần mềm: Giới thiệu về phần mềm CCS, Quartus II và cách thao tác trên phần mềm, cách mô phỏng…
Thi công hệ thống
4.2.1 Thi công board mạch a Module nguồn
Mạch nguồn công suất của mô hình được cấp bằng Variac, giúp tăng dần nguồn điện một cách an toàn cho mạch nghịch lưu trong quá trình thực nghiệm Nguồn điện xoay chiều sau khi qua Variac sẽ đi qua module máy biến áp, tiếp theo là mạch chỉnh lưu cầu và tụ để lọc phẳng Cuối cùng, nguồn điện DC sẽ được cung cấp cho mạch công suất.
Variac Máy biến áp Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha Bộ tụ lọcHình 4.1 Sơ đồ khối module nguồn
Hình 4.2 Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha b Thi công mạch kích
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch kích
Hình 4.4 Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên)
Hình 4.5 Mạch PCB mạch kích (mạch in lớp dưới) c Thi công mạch cảm biến áp
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp
Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mạch cảm biến áp d Thi công mạch công suất
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Hình 4.9 Mạch tăng áp LC với IGBT
Hình 4.10 Mạch công suất hình T
Bảng 4.1 Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra a Lắp ráp module mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
- Bước 1: Kết nối Variac với bộ máy biến áp 3 pha
- Bước 2: Kết nối dây bộ biến áp để lấy điện áp 74VAC
- Bước 3: Kết nối dây từ bộ biến áp vào bộ chỉnh lưu 3 pha
- Bước 4: Lắp bộ tụ lọc để giảm độ gợn của điện áp DC ngõ ra
- Điện áp ngõ ra được đo trên Oscilloscope có độ gợn khá nhỏ và hoạt động tốt b Lắp ráp module mạch kích
- Bước 1: Dùng nguồn 5VDC cấp vào cho card DSP, sau đó cấp tín hiệu ngõ ra của card DSP vào tín hiệu đầu vào FPGA
- Bước 2: Dùng nguồn 5VDC cấp vào cho FPGA, sau đó cấp tín hiệu ngõ ra của FPGA vào tín hiệu đầu vào của mạch kích
Bước 3: Cung cấp nguồn 12VDC cho mạch kích và tiến hành đo ngõ ra của mạch, đảm bảo rằng dạng sóng đầu ra tương tự như dạng sóng đầu vào với biên độ đạt 15V.
- Ngõ ra mạch kích được có biên độ 15V cấp cho mạch công suất c Lắp ráp module mạch công suất
Để chế tạo bo mạch in, đầu tiên in mạch ra giấy, sau đó sử dụng bàn là để ủi mạch in lên bề mặt đồng Tiếp theo, dùng bút lông để kẻ lại các vết mực đã bị mất Cuối cùng, ngâm bo mạch vào dung dịch nước rửa mạch để hoàn thiện quá trình.
- Bước 2: Dùng máy khoan lỗ và lắp các linh kiện lên board đồng
- Bước 3: Gắn IGBT, tụ điện, cuộn cảm và các linh kiện khác lên board đồng
- Bước 4: Cấp tín hiệu ngõ vào cho mạch Sử dụng Oscilloscope đo tín hiệu ngõ ra
- Mạch ổn định: Dạng sóng ngõ ra như mong muốn (dạng sóng gần dạng sóng mô phỏng)
Tiến hành lắp ráp và kết nối các module hoàn thiện, bao gồm mạch nguồn, mạch tăng áp LC, mạch công suất, mạch kích, FPGA, DSP và module tải với điện trở 32Ω, cuộn cảm 1mH, và tụ lọc.
Sau khi kết nối xong, ta tiến hành kiểm tra thông mạch
4.2.3 Hình ảnh các module đã thi công, lắp ráp a Mô hình mạch nguồn
Hình 4.12 Module khối nguồn b Mô hình mạch kích
Hình 4.13 Module mạch kích c Mô hình mạch công suất
Hình 4.14 Mô hình mạch công suất
Hình 4.15 Mô hình mạch tăng áp bằng LC d Mô hình mạch cảm biến áp
Hình 4.16 Mô hình mạch cảm biến áp.
Hoàn thiện mô hình
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển
Từ kích thước của những module nhóm sinh viên tiến hành thiết kế mô hình của đồ án Mô hình sẽ có 2 tầng như sau:
- Tầng phía trên là ngõ vào ra của mạch công suất, mạch tăng áp LC, mạch kích, FPGA và card DSP
Tiến hành lắp ráp và kết nối các module hoàn thiện, bao gồm module mạch nguồn, mạch tăng áp LC, mạch công suất, mạch kích, FPGA, DSP và module tải với điện trở 32Ω, cuộn cảm 1mH và tụ lọc.
Sau khi kết nối xong, ta tiến hành kiểm tra thông mạch
4.3.2 Mô hình đã thi công
Hình 4.17 Mô hình hoàn chỉnh.
Lập trình hệ thống
SinA, SinAn = Đảo SinA SinB, SinBn = Đảo SinB SinC, SinCn = Đảo SinC ĐÚNG
Tạo sóng tam giác: Carr vsh = 1-D vsl = D-1
Khi bị sự cố hỏng IGBT trên pha A
Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật tổng quát
Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A:
SinA>Carr SinAn>Carr Vsl>Carr SinA>0
SAI SAI SAI ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG ĐÚNG
VSH = 1 Shf(A) = 1 A = 1 A = 0 An = 1 An = 0 VSL = 1
Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A
Lưu đồ giải thuật được sử dụng để tạo xung điều khiển cho các IGBT (Sa1-Sa2-Sa3) của pha A, và quy trình này được áp dụng tương tự cho các pha B và C bằng cách dịch sóng Sin lần lượt 120 độ.
Lập trình mô phỏng
Sơ đồ nguyên lý trên PSIM
Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên PSIM
Sơ đồ tạo xung kích trên PSIM:
Hình 4.21 Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha.
Hình 4.22 Sơ đồ khối tạo xung ngắn mạch trên PSIM.
4.5.2 Hình ảnh mô phỏng trên PSIM
Dạng sóng mô tả xung kích cho các khóa Sa1-Sa2-Sa3, Sb1-Sb2-Sb3 và Sc1-Sc2-Sc3 được thể hiện qua các hình ảnh Hình 4.23 cho thấy xung kích của khóa Sa1-Sa2-Sa3 trong hai trạng thái: (a) khi hoạt động bình thường và (b) khi khắc phục sự cố trên pha A Tương tự, Hình 4.24 trình bày xung kích cho khóa Sb1-Sb2-Sb3 với các trạng thái hoạt động tương tự Cuối cùng, Hình 4.25 minh họa xung kích cho khóa Sc1-Sc2-Sc3, cũng trong hai tình huống: hoạt động bình thường và khắc phục sự cố trên pha A.
Trong hoạt động bình thường, các xung kích cho các IGBT trên các pha A, B và C có hình dạng giống nhau, như thể hiện trong hình 4.23a Tuy nhiên, các xung trên pha B và C sẽ lần lượt lệch 120 độ so với các xung kích trên pha A, được minh họa trong hình 4.24a và 4.25a.
Sự lệch pha các xung kích khi hoạt động bình thường được thể hiện trên hình 4.26a với điển hình là xung kích S1 của 3 pha A – B – C
Khi hệ thống gặp sự cố và được khắc phục bằng cách thay đổi chương trình điều khiển, dạng sóng của các xung kích sẽ có sự thay đổi rõ rệt, như thể hiện trong hình 4.23b, 4.24b và 4.25b Các xung này sẽ thay đổi theo pha, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
C sẽ lệch 60 0 so với các xung kích trên pha B như hình 4.26b
Dạng sóng mô tả xung kích cho khóa Sa1 - Sb1 - Sc1 thể hiện rõ qua hình 4.27 với điện áp pha trong trạng thái hoạt động bình thường và khi khắc phục sự cố trên pha A Hình 4.28 minh họa dạng sóng điện áp dây trong cả hai tình huống tương tự Hình 4.29 tập trung vào dạng sóng điện áp cực, trong khi hình 4.30 trình bày dạng sóng dòng điện ngõ ra, so sánh giữa hoạt động bình thường và khi xử lý sự cố trên pha A.
Quy trình và hướng dẫn thao tác
Để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và dễ dàng kiểm soát các lỗi hoặc thiếu sót trong quá trình thao tác, chúng ta nên thực hiện theo quy trình cụ thể.
Bước 1: Bật công tắc cấp nguồn cho DSP và FPGA hoạt động
Bước 2: Nhúng chương trình từ CCS trên máy tính xuống DSP TMS320F28335
Bước 3: Nhúng chương trình từ Quartus trên máy tính xuống FPGA Cyclone II EP2C5T144C8
Bước 4: Bật công tắc cấp nguồn mạch kích hoạt động
Bước 5: Kiểm tra dạng xung kích trên các IGBT để chắc chắn DSP và FPGA đã hoạt động chính xác theo yêu cầu
Bước 6: Cung cấp nguồn cho cảm biến áp
Bước 7: Vặn Variac dần cho đến khi đạt giá trị áp DC mong muốn (75V)
Bước 8: Đo các thông số bằng Oscilloscope và ghi nhận kết quả
Quy trình thao tác được thể hiện qua hình 4.31
DSP FPGA Mạch kích Mạch điện tử công suất
Hình 4.31 Quy trình và hướng dẫn thao tác
Chúng tôi thực hiện cấp nguồn cho DSP và FPGA, sau đó nhúng chương trình vào các thiết bị này Tiếp theo, chúng tôi cấp nguồn cho mạch kích và tiến hành đo xung trên IGBT.
Cấp nguồn DC cho mạch công suất bằng cách vặn dần Variac cho tới khi đạt giá trị mong muốn (75V) và bắt đầu đo các thông số
Nhóm thực hiện giả lập sự cố lỗi mất pha A bằng một switch gạt On-Off
Khi điều chỉnh Variac đến giá trị mong muốn, hãy nhanh chóng đo các thông số và sau đó trả Variac về 0 Lặp lại quy trình này cho đến khi hoàn tất việc đo tất cả các thông số Phương pháp này giúp giảm thời gian hoạt động của mạch, từ đó giảm tổn hao nhiệt và nâng cao độ chính xác của kết quả.
KẾT QUẢ _NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
Kết quả thực nghiệm
5.1.1 Dạng sóng xung kích cho các khóa IGBT
Dạng sóng mô tả xung kích cho các khóa SA1-SA2-SA3-Short (S1, S2)
Hình 5.1 Dạng sóng xung kích cho SA1-SA2-SA3-Short giữa thực nghiệm và mô phỏng
Dạng sóng mô tả xung kích cho các khóa SA1-SB1-SC1
Hình 5.2 Dạng sóng xung kích cho SA1-SB1-SC1 giữa thực nghiệm và mô phỏng
5.1.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu
Dạng sóng điện áp pha A với trung tính nguồn (Van)
Hình 5.3 Dạng sóng điện áp cực (Van) trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng điện áp pha A với trung tính tải (Vph)
Hình 5.4 Dạng sóng điện áp pha (Vph) trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng điện áp dây giữa pha A và pha B (Vab).
Hình 5.5 Dạng sóng điện áp dây (Vab) trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng điện áp trên tải R (Vr)
Hình 5.6 Dạng sóng điện áp trên tải R (Vr) trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng dòng điện qua tải Ia, Ib, Ic
Hình 5.7 Dạng sóng dòng điện qua tải trước lỗi và sau lỗi
Tổng độ méo hài (THD)
Hình 5.8 Tổng độ méo hài (THD) của dòng điện trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng điện áp tụ Vc
Hình 5.9 Dạng sóng điện áp trên tụ C1, C2 trước lỗi và sau lỗi
Dạng sóng dòng điện qua cuộn dây L
Hình 5.10 Dạng sóng dòng điện qua cuộn dây L trước lỗi và sau lỗi.
Đánh giá nhận xét
Khi xảy ra sự cố hở mạch pha A, điện áp dây ngõ ra giảm đi √3 lần so với bình thường Để bù lại sự giảm này, hệ số điều chế M và hệ số ngắn mạch D được điều chỉnh lần lượt là 0.6 và 0.4 Lúc này, điện áp cực Van bằng 0 và linh kiện IGBT SA3 được kích dẫn để kết nối nhánh A bị hở với trung tính nguồn Số bậc điện áp trong các điện áp pha và điện áp dây giảm xuống một bậc, nhưng biên độ quan sát được gần giống như điều kiện hoạt động bình thường Sự giảm số bậc điện áp cũng ảnh hưởng đến tổng độ méo hài của dòng điện qua tải, với THD tăng từ 1.90% lên 3.55%, cho thấy chất lượng dòng điện suy giảm sau lỗi, nhưng vẫn nằm trong ngưỡng cho phép (