GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Mục tiêu đề tài
Hình 1.6: Mô hình nghiên cứu của đề tài
Trong những khu vực không có lưới điện quốc gia, việc cung cấp điện cho các vùng bị cách ly hoặc có điện không ổn định có thể thực hiện được bằng cách sử dụng hai hoặc nhiều bộ nghịch lưu 3 pha có công suất giống nhau Những bộ nghịch lưu này sẽ được kết nối song song và hoạt động như một microgrid độc lập, đảm bảo nguồn điện ổn định cho khu vực.
Để đảm bảo tính ổn định của hệ thống và ngăn ngừa quá tải cho các bộ nghịch lưu, cần thiết lập biện pháp cho phép hai bộ nghịch lưu hoạt động song song, dù chúng được đặt cách xa nhau và cách xa hộ tiêu thụ Việc áp dụng phương pháp điều khiển phù hợp là giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề này.
Phương pháp điều khiển thụ động Droop control là giải pháp hiệu quả khi không cần giao tiếp giữa các bộ nghịch lưu, cho phép chia sẻ công suất P và Q đồng đều mà không cần trao đổi thông tin Bằng cách dự đoán công suất tiêu thụ, Droop control giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị khi hoạt động ở tải nhẹ và đảm bảo sự ổn định cho hệ thống Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí bảo trì mà còn giảm thiểu chi phí phát sinh khi cần tăng công suất, vì chỉ cần lắp thêm các bộ nghịch lưu có công suất tương đương mà không phải đầu tư lại toàn bộ hệ thống.
DC/DC Nghịch lưu 3 pha
Hình 1.7: Sơ đồ khối mô hình nghiên cứu
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá tính khả thi của phương pháp điều khiển chia tải công suất P và Q trong hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập Đặc biệt, nghiên cứu cũng xem xét khả năng ứng dụng thực tế của phương pháp điều khiển Droop control Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc mô phỏng và xây dựng phần cứng cho các bộ nghịch lưu, cũng như kiểm tra phương pháp điều khiển Droop control trong phòng thí nghiệm với công suất nhỏ.
Nhiệm vụ của luận văn
Pin năng lượng Mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là các tế bào bán dẫn có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện Những tế bào này chứa nhiều linh kiện cảm biến ánh sáng, thường được cấu tạo từ các diod p-n, giúp tối ưu hóa quá trình thu nhận và chuyển đổi năng lượng.
Pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt phù hợp cho những khu vực khó tiếp cận điện lưới như vùng núi cao và hải đảo Chúng được sử dụng cho các thiết bị như vệ tinh, máy tính cầm tay và thiết bị bơm nước Các pin này được thiết kế thành các module, ghép lại thành tấm năng lượng lớn thường đặt trên nóc nhà nơi có ánh sáng tối ưu, và kết nối với bộ chuyển đổi điện Hiện nay, nhiều tấm pin Mặt trời còn được trang bị bộ phận tự động điều khiển, cho phép chúng xoay theo hướng ánh sáng giống như cây xanh hướng về Mặt trời.
Hình 2.1: Chuyển hóa năng lƣợng Năng lƣợng từ photon:
E: năng lƣợng của photon (J) h: hằng số Planck = 6.626e-34 (Js) f, : tương ứng là tần số (Hz) và bước sóng (m) của photon c: vận tốc ánh sáng (m/s).
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Pin năng lƣợng mặt trời (PV)
Pin năng lượng Mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là các tế bào bán dẫn có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện Những pin này chứa nhiều linh kiện cảm biến ánh sáng dạng diod p-n trên bề mặt, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng.
Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng thiết thực, đặc biệt tại những vùng khó tiếp cận điện lưới như vùng núi cao và đảo xa Chúng được sử dụng cho các thiết bị như vệ tinh, máy tính cầm tay và thiết bị bơm nước Các pin này được thiết kế thành các module ghép lại, tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời lớn thường lắp đặt trên nóc tòa nhà nơi có ánh sáng tối ưu Hiện nay, các tấm pin Mặt trời còn được trang bị bộ phận tự động điều khiển, cho phép xoay theo hướng ánh sáng, tương tự như cách cây xanh hướng về Mặt Trời.
Hình 2.1: Chuyển hóa năng lƣợng Năng lƣợng từ photon:
E: năng lƣợng của photon (J) h: hằng số Planck = 6.626e-34 (Js) f, : tương ứng là tần số (Hz) và bước sóng (m) của photon c: vận tốc ánh sáng (m/s)
Hình 2.2: Phân vùng năng lƣợng của electron trong bán dẫn P-N
Trong hình, Ec và Ev đại diện cho năng lượng của electron trong dãy dẫn và dãy cấm, trong khi Eg là năng lượng cần thiết để một electron di chuyển từ d
2.1.2 Mô hình tương đương của pin năng lượng Mặt trời
Do 1 cell PV được cấu tạo từ bán dẫn P-N,nên ta có thể tương đương thành 1 diode mắc song song với 1 nguồn dòng có điện trở nội
Hình 2.3: Mô hình một cell pin PV
Ta có dòng điện ra khỏi một cell:
(2.2) Áp dụng công thức Shockley cho diode ta có:
+ q là điện tích electron (1,6 x C) + là dòng bão hòa của diode
+ là dòng ngắn mạch của pin PV
+ A là hệ số phẩm chất của diode + k là hằng số Boltzmann = 1,38x + T là nhiệt độ Kelvin
+ là điện áp hở mạch của PV
Hình 2.5: Điện áp hở mạch
(2.4) thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình:
) (2.5) Cùng 1 nhiệt độ, thay đổi theo bức xạ:
(2.6) thay đổi theo nhiệt độ:
2.1.3 Các đặc tuyến của pin năng lƣợng mặt trời
Dựa trên các phân tích, pin mặt trời có đặc tuyến dòng-áp và công suất-điện áp cụ thể Trong đặc tuyến này, chỉ có một điểm làm việc duy nhất đạt công suất cực đại, được gọi là MPP (Maximum Power Point).
Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường và công suất bức xạ mặt trời.
Hình 2.7 minh họa đặc tuyến P - V và P - I tại các mức công suất bức xạ khác nhau Điện áp đầu ra của mỗi cell pin thường thấp, vì vậy tấm pin thực tế được cấu thành từ nhiều cell được ghép nối theo cả hình thức nối tiếp và song song để đạt được công suất và điện áp mong muốn.
Khi các cell pin năng lượng mặt trời được mắc nối tiếp, áp hở mạch của bộ pin sẽ tăng lên Ngược lại, khi mắc song song, dòng ngắn mạch của bộ pin sẽ được nâng cao.
Hình 2.9: Đặc tuyến V-I khi các cell pin mắc nối tiếp
Hình 2.10: Đặc tuyến V-I khi các module mắc nối tiếp
Hình 2.11: Đặc tuyến V-I khi mắc các module song song
Hình 2.12: Tác động do bóng che lên pin năng lƣợng mặt trời
Khi tất cả n cell dưới ánh sáng:
(2.13) Điện áp rơi ΔV gây ra bởi bóng che:
Do điện trở song song R p lớn hơn rất nhiều lần so với điện trở R S , có thể đơn giản:
Giới thiệu về bộ biến đổi công suất – tăng áp DC/DC
Bộ tăng áp DC/DC sử dụng linh kiện bán dẫn như IGBT và diode, cùng với các thành phần khác như cuộn cảm và tụ điện Chức năng chính của bộ tăng áp là nâng cao điện áp.
DC đầu vào thấp cho ra điện áp DC đầu ra nhƣ mong muốn
Hình 2.13: Cấu hình của bộ tăng áp
Hình 2.14: Dạng sóng ở chế độ dòng liên tục
Nếu Duty nằm trong khoảng:
Do đó điện áp ngõ ra lớn hơn điện áp đầu vào, trở thành bộ tăng điện áp DC/DC
Hình 2.15: Dòng điện ngõ ra
Dòng điện ngõ ra của bộ tăng áp DC/DC nhỏ hơn so với dòng điện đầu vào.
Giới thiệu về bộ biến đổi công suất – nghịch lưu DC/AC
Bộ nghịch lưu là một thành phần thiết yếu trong các bộ biến đổi điện, có chức năng chuyển đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều, như nguồn điện xoay chiều được chỉnh lưu, PIN, acquy hoặc hệ thống quang điện, thành năng lượng điện xoay chiều để cấp cho các phụ tải xoay chiều Dựa vào tính chất của nguồn điện một chiều và đặc điểm của đại lượng xoay chiều đầu ra, bộ nghịch lưu được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Bảng 2.1 so sánh các loại nghịch lưu, trong đó bộ nghịch lưu áp nguồn áp là loại phổ biến nhất Loại nghịch lưu này thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền động động cơ AC, bộ lọc tích cực và thiết bị bù công suất phản kháng.
Bộ nghịch lưu áp là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài, sử dụng các linh kiện chuyển mạch như BJT, MOSFET, IGBT và GTO để tạo ra điện áp xoay chiều Những linh kiện này được điều khiển theo quy luật ON-OFF nhằm tạo ra điện áp xung với dạng sóng sin có biên độ và tần số mong muốn Bộ nghịch lưu áp có thể có 2 hoặc nhiều mức điện áp khác nhau, dẫn đến các loại như bộ nghịch lưu áp 2 bậc và đa bậc (từ 3 mức trở lên) Sự khác biệt giữa các mức điện áp ảnh hưởng đến điện áp tối đa đặt lên linh kiện khi ở trạng thái OFF Khi số bậc tăng, các chỉ tiêu về độ méo dạng tổng thể do sóng hài (THD), kích thước mạch lọc và công suất chuyển mạch đều giảm so với bộ nghịch lưu áp 2 bậc cơ bản Trong phạm vi nghiên cứu, chỉ sử dụng bộ nghịch lưu áp 2 bậc.
Mô hình các khóa nghịch lưu 3 pha sử dụng phương pháp điều khiển điều chế Vector không gian (Space Vector Modulation) Phương pháp này được phát triển từ ứng dụng của mô hình vector không gian trong máy điện xoay chiều và đã được mở rộng cho các hệ thống điện ba pha Đây là một kỹ thuật hiện đại, chính xác và thường được thực hiện bằng kỹ thuật số Điều chế vector không gian hiện đang là phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực điện tử công suất, đặc biệt trong việc điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như động cơ xoay chiều, mạch lọc tích cực và bộ nghịch lưu ba pha nối lưới.
Hình 2.17: Hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc lập
2.4.2 Hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới
Hệ thống kết nối lưới điện mặt trời (PV) không chỉ tăng cường công suất cho lưới điện quốc gia mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện cho hộ gia đình và doanh nghiệp tại các nước phát triển Đặc biệt, hệ thống này không yêu cầu thiết bị lưu trữ, vì công suất dư thừa có thể được cung cấp trực tiếp lên lưới Trong những năm qua, sự phát triển của hệ thống kết nối lưới PV đã gia tăng đáng kể trên toàn cầu.
Năm 2004, Đức đã lắp đặt gần 1 tỷ watt hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới Để triển khai các hệ thống này tại một quốc gia, sự hỗ trợ và tiêu chuẩn từ chính phủ là rất cần thiết Chất lượng điện năng đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của các hệ thống kết nối lưới.
Có hai nhóm cấu hình chính sử dụng trong việc kết nối lưới hệ thống PV là: cách ly và không cách ly
Hình 2.18: Hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới
2.4.3 Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp
Trong các hệ thống lớn, hệ thống năng lượng mặt trời (PV) thường được kết hợp với máy phát diesel để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho tải Hệ thống PV độc lập thường không đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng, vì vậy việc kết hợp với máy phát giúp vừa đáp ứng yêu cầu tải vừa tận dụng thêm nguồn năng lượng từ hệ thống PV.
Hình 2.19: Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp acquy và máy phát điện
Hình 2.20: Các cấp điều khiển trong hệ thống năng lƣợng mặt trời
Bộ điều khiển sơ cấp là tầng trong cùng của hệ thống, trực tiếp nhận thông tin từ lưới điện hòa lưới Nó có khả năng đáp ứng nhanh chóng với những thay đổi của lưới, đồng thời tích hợp các giải thuật khởi động mềm và bảo vệ khi có sự chuyển trạng thái giữa hòa lưới và không hòa lưới hoặc khi xảy ra sự cố.
Cấu trúc của bộ điều khiển được xác định bởi hệ trục tọa độ xây dựng Thông thường, bản chất và cấu trúc của bộ điều khiển sẽ thay đổi tùy thuộc vào hệ trục tọa độ 3 pha mà nhà thiết kế lựa chọn.
2.5.2 Bộ điều khiển sơ cấp:
Cấp điều khiển sơ cấp: là tầng trên của bộ điều khiển thứ tự không đƣợc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau đây:
Ổn định điện áp và tần số là yếu tố quan trọng trong các lưới nhỏ, đặc biệt sau chế độ hoạt động độc lập Khi có sự không phù hợp giữa công suất phát và công suất tiêu thụ, các lưới nhỏ có thể gặp phải tình trạng mất ổn định.
Cho phép kết nối và cung cấp năng lượng cho các nguồn năng lượng phân tán (DER), đồng thời chia sẻ công suất tác dụng và phản kháng một cách hợp lý Nên hạn chế việc sử dụng thiết bị truyền thông để tối ưu hóa hiệu suất.
Giảm thiểu dòng điện cân bằng lưu thông, giảm khả năng quá dòng trong các thiết bị điện tử công suất và làm hỏng tụ điện DC-link
Cấp điều khiển sơ cấp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điểm tham chiếu cho vòng điều khiển điện áp và dòng điện của DER Vòng điều khiển bên trong, thường được gọi là cấp Zero, thực hiện chức năng điều chỉnh chính xác các thông số này.
Bộ điều khiển primary đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định tần số cho hệ thống Mỗi inverter hòa lưới hoạt động như một nguồn phát độc lập, do đó, việc điều khiển tần số là cần thiết để đảm bảo các inverter có thể hòa vào lưới micro-grid và duy trì sự ổn định của lưới điện khi có sự biến động về nguồn và tải.
Có nhiều phương pháp trong bộ điều khiển chính, được chia thành hai loại: điều khiển chính có sử dụng bus truyền thông và không sử dụng bus truyền thông, cùng với các phương pháp kết hợp.
2.5.2.1 Điều khiển sơ cấp có sử dụng giao tiếp truyền thông
Trong phương pháp này, thông tin về lưới và tải được truyền qua bus truyền thông có băng thông thấp và đáp ứng thời gian thực Việc giám sát liên tục giúp đảm bảo ổn định điện áp và phân chia tải hợp lý cho các bộ nghịch lưu Dòng điện hoặc công suất tác dụng/phản kháng tham chiếu được xác định thông qua nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau như tập trung, chủ-tớ, chia tải trung bình và các phương pháp điều khiển chuỗi tròn.
Tổng quan về các cấp điều khiển trong hệ thống năng lƣợng mặt trời
Bộ điều khiển sơ cấp là tầng cuối cùng trong hệ thống, có nhiệm vụ thu thập thông tin trực tiếp từ lưới điện hòa lưới Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển này là khả năng phản ứng nhanh chóng với các biến đổi của lưới, đồng thời tích hợp các thuật toán khởi động mềm và bảo vệ để xử lý các tình huống chuyển trạng thái (hòa lưới hoặc không hòa lưới) và các sự cố phát sinh.
Cấu trúc của bộ điều khiển được xác định bởi hệ trục tọa độ xây dựng, và thường thì nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào hệ trục tọa độ 3 pha mà nhà thiết kế lựa chọn.
2.5.2 Bộ điều khiển sơ cấp:
Cấp điều khiển sơ cấp: là tầng trên của bộ điều khiển thứ tự không đƣợc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau đây:
Ổn định điện áp và tần số là yếu tố quan trọng trong các lưới nhỏ, đặc biệt sau khi chuyển sang chế độ hoạt động độc lập Việc mất ổn định này thường xảy ra do sự không cân đối giữa công suất phát và công suất tiêu thụ.
Cho phép kết nối và cung cấp năng lượng cho các nguồn năng lượng phân tán (DER), đồng thời chia sẻ công suất tác dụng và phản kháng một cách hợp lý Tốt nhất là hạn chế sử dụng thiết bị truyền thông trong quá trình này.
Giảm thiểu dòng điện cân bằng lưu thông, giảm khả năng quá dòng trong các thiết bị điện tử công suất và làm hỏng tụ điện DC-link
Cấp điều khiển sơ cấp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điểm tham chiếu cho vòng điều khiển điện áp và dòng điện của hệ thống Nguồn Tạo Điện (DER) Vòng điều khiển bên trong, thường được biết đến với tên gọi cấp Zero, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển primary có nhiệm vụ quan trọng trong việc ổn định tần số cho các inverter hòa lưới, mỗi inverter được coi là một nguồn phát độc lập Việc điều khiển tần số là cần thiết để đảm bảo các inverter có thể hòa vào lưới micro-grid và duy trì sự ổn định của lưới điện khi có biến động về nguồn và tải.
Có nhiều phương pháp trong bộ điều khiển chính (primary control), được chia thành hai loại: điều khiển có sử dụng bus truyền thông và điều khiển không sử dụng bus truyền thông, cùng với phương pháp kết hợp giữa hai loại này.
2.5.2.1 Điều khiển sơ cấp có sử dụng giao tiếp truyền thông
Phương pháp này liên quan đến việc giám sát thông tin về lưới và tải thông qua một bus truyền thông có băng thông thấp và đáp ứng thời gian thực Việc giám sát liên tục giúp đảm bảo ổn định điện áp và phân chia tải hợp lý cho các bộ nghịch lưu Dòng điện hoặc công suất tác dụng/phản kháng tham chiếu được xác định qua các phương pháp như tập trung, chủ-tớ, chia tải trung bình và các phương pháp điều khiển chuỗi tròn.
Trong phương pháp điều khiển trung tâm, dòng tải được phân bổ đồng đều giữa các nguồn bằng cách thiết lập dòng điện giống nhau cho tất cả các bộ biến đổi.
Trong phương pháp chủ-tớ, bộ chuyển đổi chủ hoạt động như một VSC, điều chỉnh điện áp đầu ra, trong khi bộ chuyển đổi tớ hoạt động như một nguồn dòng, thực hiện theo các mô hình dòng điện của bộ chuyển đổi chủ.
Trong điều khiển chia sẻ tải trung bình, dòng điện tham chiếu cho các bộ chuyển đổi được cập nhật liên tục và phản ánh dòng điện trung bình của tất cả các bộ chuyển đổi, không phải là dòng điện tải.
Trong việc kiểm soát chuỗi tròn, các bộ chuyển đổi hoạt động như các kết nối liên tiếp, với dòng điện tham chiếu cho mỗi bộ chuyển đổi được xác định bởi bộ chuyển đổi trước đó.
Phương pháp chia tải tích cực yêu cầu truyền thông qua băng thông kháng, trong đó tần số của bộ inverter được điều chỉnh nhằm mục tiêu ổn định hệ thống và đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tải.
Các phương pháp điều khiển Droop control được xây dựng trên 2 mô hình truyền thống:
+ Điều khiển Droop theo tần số
+ Điều khiển Droop theo góc
Trái ngược với kỹ thuật chia tải tích cực, phương pháp Droop có thể được thực hiện mà không cần truyền thông, và do đó đáng tin cậy hơn
Cấp secondary gồm có các chức năng:
Điều chỉnh tần số và điện áp chung cho toàn bộ micro grid là cần thiết để phục hồi các giá trị này gần với mức tham chiếu.
- Điều khiển để loại bỏ đi sự mất cân bằng về điện áp và nâng cao chất lƣợng điện áp trong micro grid
Hình 2.21: Sơ đồ điều khiển cho cấp Secondary
Nhiệm vụ của cấp tertairy:
+ Điều khiển công suất ra, vào microgrid hay điều khiển dòng công suất mua bán
Điều khiển cân bằng công suất và tối ưu hóa chi phí hoạt động giữa các bộ nghịch lưu trong microgrid là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả kinh tế Việc điều độ kinh tế giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống, từ đó tạo ra một microgrid hoạt động ổn định và bền vững.
Trong micro grid thường có 2 loại bài toán tối ưu:
+ Cân bằng công suất và điều độ kinh tế giữa các nguồn phát công suất nhằm cực tiểu chi phí hoạt động của microgrid
+ Tối ƣu trong việc thiết kế các nguồn phát công suất: pin quang điện PV, tuabin gió, ắc quy…
Điều khiển hệ thống
TẢI P VÀ Q TRÊN MATLAB SIMULINK
DC/DC Nghịch lưu 3 pha
Hình 4.1: Mô hình mô phỏng hệ thống
Ta có mô hình mô phỏng hệ thống:
Hình 4.2: Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHIA TẢI P VÀ Q TRÊN MATLAB SIMULINK
Mô phỏng tấm pin năng lƣợng mặt trời
Thông số của tấm pin PV:
Số cell mắc song song 1
Số cell mắc nối tiếp 36
Bảng 4.1: Thông số của tấm pin PV
(4.1) thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình:
) (4.2) Cùng 1 nhiệt độ, thay đổi theo bức xạ:
Hình 4.4: Bên trong của tấm PV
Hình 4.5: Mô hình tấm PV mô phỏng
Mô phỏng bộ tăng áp DC/DC và giải thuật MPPT
4.2.1 Giải thuật MPPT Perturbation And Observe (PO)
Trên đường đặt tuyến PV, sự thay đổi điện áp (V) ảnh hưởng đến công suất (P) khác nhau ở hai bên điểm tối ưu (MPP) Cụ thể, bên trái MPP, khi V tăng, P cũng tăng; trong khi bên phải MPP, khi V tăng, P lại giảm Phương pháp PO dựa vào việc quan sát công suất đầu ra để điều chỉnh điện áp cho bộ boost: nếu tăng V làm P tăng, tiếp tục tăng V; ngược lại, nếu P giảm, cần giảm V.
Pertubation Change in power Next nertubation
Bảng 4.2: Bảng tra phương pháp P&O
Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật P&O
4.2.2 Bộ tăng áp DC/DC
Ta có các công thức của bộ tăng áp DC/DC
Hình 4.6: Bộ biến đổi điện áp DC/DC Boost
Mô phỏng bộ biến đổi điện áp DC/DC Boost trên Matlab Simulink:
Hình 4.7: Khối biến đổi điện áp DC/DC boost trên mô phỏng
Hình 4.8: Mô hình bộ MPPT và bộ DC/DC Boost
Mô phỏng bộ nghịch lưu DC/AC
Biến đổi dòng điện từ hệ trục abc qua hệ trục quay qd Đối với dòng i abc , ta có :
Hình 4.9: Mô hình khối đo lường dòng điện
Hình 4.10: Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền
Tương tự với điên áp ta chuyển Vabc qua hệ trục V dq
Hình 4.11: Mô hình khối đo điện áp trên Matlab Simulink
4.3.1.3 Khối đo công suất P và Q
(t) (id jiq) e jw t jw t v t vd jvq e i
Hình 4.12: Mô hình mô phỏng khối đo công suất P và Q
Hình 4.13: Mô hình lý thuyết điều khiển điện áp
( dv dq ) j ( ) t ( dq ) j ( ) t ( dq ) j ( ) t ( sdq ) j ( ) t , d ( )
(4.17) Đơn giản e j ( ) t 2 vế ta đƣợc : d ( ) q d sd
Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng:
Hình 4.14: Mô hình mô phỏng bộ điều khiển điện áp
4.3.2.2 Bộ điều khiển dòng điện
Hình 4.15: Mô hình lý thuyết điều khiển dòng điện
Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng theo hình sau :
Hình 4.16: Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện
4.3.3 Điều chế vector không gian (SVPWM)
4.3.3.1 Kỹ thuật điều chế xung vector không gian (SVPWM)
Kỹ thuật sử dụng giản đồ vector trạng thái cho phép tính toán thời gian thực hiện các trạng thái chuyển mạch, nhằm đảm bảo điện áp 3 pha trên tải đáp ứng đúng yêu cầu Các khái niệm về vector không gian và giản đồ vector được minh họa qua các ví dụ liên quan đến nghịch lưu áp 2 bậc.
Bảng trạng thái chuyển đổi của các khóa được thể hiện trong Hình 4.17, cho thấy điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu tương ứng với từng trạng thái đóng ngắt.
Khi biết đƣợc điện áp của 2 pha A và B (hoặc C), ta dùng phép biến đổi Clacke để tính giá trị điện áp Vα và V β ( là hình chiếu của V s trên hệ trục αβ)
Với V A +V B +V C = 0 , ta có thể chuyển đổi là
Hình 4.19: Vector không gian, các vector trạng thái và các sector
Các trạng thái của của các khóa công suất biểu diễn trên hệ toa độ αβ nhƣ hình bên và chia thành 6 sector đƣợc giới hạn bởi 2 vector trạng thái
Vector không gian V được tạo thành từ ba vector điện áp ba pha, quay quanh hệ tọa độ αβ với tốc độ góc ω=2πf và tạo một góc với trục α Từ góc này, ta có thể xác định tọa độ của vector không gian.
Tùy thuộc vào vị trí của vector không gian trong sector, hai vector trạng thái bên cạnh sẽ được lựa chọn để tạo thành vector không gian V s Việc chuyển đổi giữa các vector nên chỉ thay đổi trạng thái của một khóa, giúp giảm thiểu sự đóng ngắt quá mức của các khóa Điều này không chỉ giảm tổn hao do đóng ngắt mà còn hạn chế sóng hai bậc cao phát sinh trong quá trình đóng ngắt tần số cao.
Hình 4.20: Vector không gian đƣợc tổng hợp từ 2 vector trạng thái
Một vector không gian bất kỳ trong góc phần sáu có thể được tổng hợp từ hai vector trạng thái nằm trên biên của sector đó Cụ thể, nếu vector không gian V s nằm trong góc phần sáu thứ nhất, nó có thể được biểu diễn thông qua hai vector trạng thái V a và V b theo công thức: s = a + b.
Trong bài viết này, V a và V b được xác định là vector phải và vector trái, tương ứng với hai vector trạng thái V a và V b Để tính độ dài của các vector này, ta có thể áp dụng các phương pháp hình học thích hợp.
Vector V s được xác định trong góc phần sáu, đo theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Độ dài của vector không gian V s, cùng với các vector V a và V b, tương ứng với độ dài của các vector bên phải và bên trái Độ dài của các vector trạng thái này tỷ lệ thuận với giá trị của điện áp đầu vào 2 in 3 DC.
V V , còn độ dài của vector V s là vector ra mong muốn V s V out , từ đó suy ra biểu thức tính toán các giá trị thời gian điều chế nhƣ sau:
2 sin 3 out p s in out t s in t T V
Ngoài thời gian thực hiện V a , V b thời gian còn lại thực hiện vector V 0 hoặc V 7
4.3.3.2 Khối chu ển đổi dq/αβ và tạo xung SVPWM cos sin sin sin s sd a sq a s sd a sq a f f f f f f
Hình 4.21: Mô hình khối chuyển đổi dq/αβ
Từ α và β ở trên sẽ được tính toán để cho ra góc tương ứng của hệ trục α và β:
Hình 4.22: Khối tính toán góc tương ứng của hệ trục α và β
Mô hình bao gồm giá trị m và giá trị góc được tính từ hai khối, kết hợp với bộ tần số fs, bộ sóng mang và bộ tính toán thời gian Tất cả những yếu tố này được đưa vào bộ hàm Matlab của SVPWM theo mã code sử dụng trong Matlab Simulink.
Hình 4.23: Khối tạo xung SVPWM
Hình 4.24: Bộ điều khiển độ trƣợt trên Matlab Simulink
4.5 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha hoàn chỉnh
Hình 4.25: Mô hình 3 pha 6 khóa trên Matlab Simulink
Hình 4.26: Các thành phần động lực nhƣ cuộn lọc, tụ lọc và cảm biến dòng, áp
Hình 4.27: Các bộ điều khiển kết nối với nhau
Hình 4.28: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu
Hình 4.29: Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink
Hình 4.30: Công suất sau khi qua bộ MPPT Nhận xét:
Công suất ngõ ra sau bộ MPPT đạt được công suất cực đại của tấm pin năng lượng mặt trời và duy trì hiệu suất tối ưu này.
4.6.1 Trường hợp 2 đường dây có thuần trở R và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L=0H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, L=0H Tải R@ Ω, L0e-3H
Hình 4.31: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây thuần trở
Hình 4.32: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây thuần trở
Hình 4.33: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần trở
Hình 4.34: Điện áp ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần trở
Khi đường dây là thuần trở và có R khác nhau giữa 2 đường dây thì công suất P và Q của 2 bộ nghịch lưu đã chia sẻ được
Thời gian xác lập để 2 bộ nghịch lưu chia sẻ công suất là khoảng 2s
Điện áp 3 pha ngõ ra trước tải giảm còn khoảng 300V, giảm 10V so với điện áp ngay ngõ ra của 2 bộ inverter nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép
4.6.2 Trường hợp 2 đường dây có thuần cảm L và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=0Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=0Ω, Le-3H, Tải R@ Ω, L0e-3H
Hình 4.35: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây thuần cảm
Hình 4.36: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần cảm
Hình 4.37: Điện áp ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần cảm
Khi đường dây thuần cảm và có độ tự cảm (L) khác nhau, công suất P và Q của hai bộ nghịch lưu kết nối song song sẽ không thể chia tải hiệu quả, dẫn đến sự dao động lớn trong công suất.
Điện áp và dòng điện ngõ ra không ổn định
4.6.3 Trường hợp 2 đường dây R,L có R lớn và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.38: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R, L có R lớn
Hình 4.39: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây R,L có R lớn
Hình 4.40: Dòng điện 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R lớn
Hình 4.41: Điện áp 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R lớn
Trường hợp đường dây R, L và 2 đường dây có R,L khác nhau như trên thì công suất P và Q của 2 bộ inverter vẫn chia sẻ tốt đƣợc
Thời gian đáp ứng khoảng 2.5s để 2 bộ nghịch lưu có công suất ngang nhau
Điện áp ngõ ra sine, tuy nhiên bị sụt giảm do đường dây dài và có R lớn nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép ±5%
4.6.4 Trường hợp 2 đường dây L,R có R nhỏ và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=0.1Ω, L=0.3e-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=0.1Ω, L=0.3e-3H
Hình 4.42: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R, L có R nhỏ
Hình 4.43: Dòng điện 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R nhỏ
Hình 4.44: Điện áp 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R nhỏ
Khi hai đường dây R, L có điện trở R nhỏ và khác nhau, công suất P và Q của hai bộ inverter sẽ không được chia sẻ hiệu quả, dẫn đến dao động lớn và sự không ổn định trong công suất của từng bộ inverter.
Điện áp và dòng điện 3 pha ngõ ra của 2 inverter và không ổn định đƣợc
4.6.5 Trường hợp 2 đường dây có L, R bằng nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=2Ω, Ln-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=2Ω, Ln-3H
Hình 4.45: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.46: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.47: Dòng điện 3 pha tương ứng khi 2 đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.48: Điện áp 3 pha tương ứng khi 2 đường dây R,L bằng nhau
Trường hợp đường dây R, L bằng nhau thì công suất P và Q của 2 bộ inverter vẫn chia sẻ tốt đƣợc
Thời gian đáp ứng khoảng 2.5s
Dòng điện của 2 inverter có độ lớn bằng nhau
Điện áp ngõ ra sine, tuy nhiên bị sụt giảm do đường dây dài và có R lớn nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép ±5%
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.49: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải RPΩ, L5e-3H
Hình 4.50: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi tải
Hình 4.51: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi tải RPΩ, L5e-3H
Khi tăng tải thì công suất ngõ ra của 2 bộ tính toán P, Q đều giảm, 2 bộ nghịch lưu vẫn chia được công suất P và Q tốt
Thời gian xác lập khoảng 2.5s để 2 bộ nghịch lưu có công suất P và Q ngang nhau
Khi hai bộ inverter kết nối, dòng điện trước tải giảm xuống còn khoảng 6A, trong khi điện áp ngõ ra giảm còn khoảng 300V, thấp hơn 10V so với điện áp ngõ ra của từng bộ inverter Tuy nhiên, mức điện áp này vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.52: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải R5Ω, L%e-3H
Hình 4.53: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ điện khi tải
Hình 4.54: Điện áp 3 pha tương ứng khi tải R5Ω, L%e-3H
Khi giảm tải thì công suất ngõ ra của 2 bộ tính toán P, Q đều tăng, 2 bộ nghịch lưu vẫn chia được công suất P và Q tốt
Thời gian xác lập khoảng 2s
Khi hai bộ inverter được kết nối, dòng điện trước tải tăng lên khoảng 8A Tuy nhiên, điện áp đầu ra giảm xuống còn khoảng 300V, giảm 10V so với điện áp đầu ra ban đầu của hai bộ inverter, nhưng vẫn nằm trong mức cho phép.
Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu 3 pha hoàn chỉnh
Hình 4.25: Mô hình 3 pha 6 khóa trên Matlab Simulink
Hình 4.26: Các thành phần động lực nhƣ cuộn lọc, tụ lọc và cảm biến dòng, áp
Hình 4.27: Các bộ điều khiển kết nối với nhau
Hình 4.28: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu
Hình 4.29: Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink
Hình 4.30: Công suất sau khi qua bộ MPPT Nhận xét:
Công suất đầu ra của bộ MPPT đảm bảo rằng tấm pin năng lượng mặt trời đạt được công suất tối đa và duy trì hiệu suất này một cách ổn định.
Kết quả mô phỏng
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L=0H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, L=0H Tải R@ Ω, L0e-3H
Hình 4.31: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây thuần trở
Hình 4.32: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây thuần trở
Hình 4.33: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần trở
Hình 4.34: Điện áp ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần trở
Khi đường dây là thuần trở và có R khác nhau giữa 2 đường dây thì công suất P và Q của 2 bộ nghịch lưu đã chia sẻ được
Thời gian xác lập để 2 bộ nghịch lưu chia sẻ công suất là khoảng 2s
Điện áp 3 pha ngõ ra trước tải giảm còn khoảng 300V, giảm 10V so với điện áp ngay ngõ ra của 2 bộ inverter nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép
4.6.2 Trường hợp 2 đường dây có thuần cảm L và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=0Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=0Ω, Le-3H, Tải R@ Ω, L0e-3H
Hình 4.35: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây thuần cảm
Hình 4.36: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần cảm
Hình 4.37: Điện áp ngõ ra tương ứng khi đường dây thuần cảm
Trong trường hợp đường dây thuần cảm với các giá trị L khác nhau, công suất P và Q của hai bộ nghịch lưu kết nối song song không thể phân chia tải một cách hiệu quả, dẫn đến sự dao động công suất khá lớn.
Điện áp và dòng điện ngõ ra không ổn định
4.6.3 Trường hợp 2 đường dây R,L có R lớn và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.38: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R, L có R lớn
Hình 4.39: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây R,L có R lớn
Hình 4.40: Dòng điện 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R lớn
Hình 4.41: Điện áp 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R lớn
Trường hợp đường dây R, L và 2 đường dây có R,L khác nhau như trên thì công suất P và Q của 2 bộ inverter vẫn chia sẻ tốt đƣợc
Thời gian đáp ứng khoảng 2.5s để 2 bộ nghịch lưu có công suất ngang nhau
Điện áp ngõ ra sine, tuy nhiên bị sụt giảm do đường dây dài và có R lớn nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép ±5%
4.6.4 Trường hợp 2 đường dây L,R có R nhỏ và khác nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=0.1Ω, L=0.3e-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=0.1Ω, L=0.3e-3H
Hình 4.42: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R, L có R nhỏ
Hình 4.43: Dòng điện 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R nhỏ
Hình 4.44: Điện áp 3 pha tương ứng khi đường dây R,L có R nhỏ
Khi hai đường dây R, L có giá trị R nhỏ và khác nhau, công suất P và Q của hai bộ inverter sẽ không được chia sẻ hiệu quả, dẫn đến dao động lớn và sự không ổn định trong công suất của mỗi bộ inverter.
Điện áp và dòng điện 3 pha ngõ ra của 2 inverter và không ổn định đƣợc
4.6.5 Trường hợp 2 đường dây có L, R bằng nhau
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=2Ω, Ln-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=2Ω, Ln-3H
Hình 4.45: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.46: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.47: Dòng điện 3 pha tương ứng khi 2 đường dây R,L bằng nhau
Hình 4.48: Điện áp 3 pha tương ứng khi 2 đường dây R,L bằng nhau
Trường hợp đường dây R, L bằng nhau thì công suất P và Q của 2 bộ inverter vẫn chia sẻ tốt đƣợc
Thời gian đáp ứng khoảng 2.5s
Dòng điện của 2 inverter có độ lớn bằng nhau
Điện áp ngõ ra sine, tuy nhiên bị sụt giảm do đường dây dài và có R lớn nhƣng vẫn nằm trong mức cho phép ±5%
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.49: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải RPΩ, L5e-3H
Hình 4.50: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi tải
Hình 4.51: Dòng điện ngõ ra tương ứng khi tải RPΩ, L5e-3H
Khi tăng tải thì công suất ngõ ra của 2 bộ tính toán P, Q đều giảm, 2 bộ nghịch lưu vẫn chia được công suất P và Q tốt
Thời gian xác lập khoảng 2.5s để 2 bộ nghịch lưu có công suất P và Q ngang nhau
Khi hai bộ inverter kết nối, dòng điện trước tải giảm xuống còn khoảng 6A, trong khi điện áp ngõ ra sụt giảm còn khoảng 300V, giảm 10V so với điện áp ngay ngõ ra của hai bộ inverter, nhưng vẫn nằm trong mức cho phép.
Ta đặt đường dây của bộ nghịch lưu 1: R=3Ω, L-3H Đường dây của bộ nghịch lưu 2: R=4Ω, Le-3H
Hình 4.52: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải R5Ω, L%e-3H
Hình 4.53: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ điện khi tải
Hình 4.54: Điện áp 3 pha tương ứng khi tải R5Ω, L%e-3H
Khi giảm tải thì công suất ngõ ra của 2 bộ tính toán P, Q đều tăng, 2 bộ nghịch lưu vẫn chia được công suất P và Q tốt
Thời gian xác lập khoảng 2s
Khi hai bộ inverter được kết nối, dòng điện trước tải tăng lên khoảng 8A Tuy nhiên, điện áp ngõ ra giảm còn khoảng 300V, giảm 10V so với điện áp ngay ngõ ra của hai bộ inverter, nhưng vẫn nằm trong mức cho phép.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Thiết kế bộ lọc DC/DC
Mạch lọc DC được cấu tạo từ mạch lọc LC, có chức năng ổn định điện áp đầu vào với điện áp tối đa lên đến 900V Để hạn chế dòng nạp tụ ban đầu, mạch sử dụng IC timer LM555 để tự động nạp và xả tụ Ban đầu, tụ được nạp qua trở hạn dòng và sau khoảng thời gian định sẵn, rờ le sẽ nối tắt trở hạn dòng Dòng nạp tụ trong trạng thái quá độ được tính theo công thức: c i C du.
Nạp xả tụ tự động qua rờ le, thời gian nạp xả tụ 7s Thời gian điều chỉnh đƣợc qua IC định thời NE555 ln(2) ln(2)
Nạp điện tụ gián tiếp qua điện trở 180Ω/20W
Xả điện tụ gián tiếp qua điện trở 800kΩ/20W
Cuộn lọc 10mH/5A, cầu chì bảo vệ 10A
Thông số kỹ thuật của thiết bị bao gồm điện áp vào thông thường (V in) là 560V, với điện áp vào tối đa (V inmax) đạt 900V và điện áp vào tối thiểu (V inmin) là 540V Công suất ra thông thường (P out) của thiết bị là 1000W, trong khi điện áp ra thông thường (V out) được xác định là V in -1%.
Bảng 5.2 Thông số bộ lọc DC/DC Tần số lọc thông thấp:
Hình 5.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch lọc DC
Thiết kế mạch nguồn phụ
Điện áp ngõ ra được cách ly với điện áp đầu vào, giúp bộ nguồn cách ly điện trong mạch kích các FET công suất ở tầng nghịch lưu điện áp cao Điều này có tác dụng chống nhiễu điện từ mạch động lực sang mạch điều khiển.
Nguồn xung Half-Bridge, đƣợc điều khiển bằng IC chuyên dụng SG3525 điều chế đóng ngắt biến áp xung tần số 33kHz Ngõ ra là 3 nguồn cách ly gồm:
Nguồn nuôi mạch điều khiển 5V/1A
Công suất 60W Điện áp ngõ vào 100-600VDC Ngõ ra cách ly 1 +/- 15V, 2A Ngõ ra cách ly 2 15V, 1A Ngõ ra cách ly 3 5V, 1A
IC SG3525 hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chế độ rộng xung (PWM), với chân 11 và 14 phát ra xung PWM để điều khiển MOSFET công suất và biến áp DC Hai đầu điện áp đầu ra được hồi tiếp về chân 1 và 2, trong khi khối khuếch đại lỗi (Error Amp) giám sát mức điện áp đầu ra Sự thay đổi của điện áp đầu ra sẽ tạo ra tín hiệu vào bộ phát xung PWM, dẫn đến sự điều chỉnh phù hợp.
Bộ phát xung PWM kết hợp với khối dao động Oscillator và Latch để điều chỉnh độ bật tắc của xung PWM Kết quả là, xung PWM được xuất ra ngoài thông qua transistor ở tầng phát xung Output state.
Khi dòng tải tăng, điện thế ngõ ra giảm, dẫn đến tín hiệu hồi tiếp giảm và mạch điều xung tăng thời gian bật (tăng duty cycle), khiến MOSFET công suất bật lâu hơn, tăng năng lượng qua cuộn cảm hoặc biến thế, từ đó nâng cao điện thế Ngược lại, khi dòng tải giảm, quá trình này diễn ra ngược lại Quá trình này tạo thành một vòng kín giúp ổn định điện thế ra Mạch phát xung điều khiển sử dụng IC SG3525 cùng với mạch Feedback.
Hình 5.6 Sơ đồ layout và sơ đồ thi côngmạch điều khiển bộ Push-Pull DC/DC
Tần số đóng cắt của IC đượccho bởi công thức:
Trong đó f - là tần số dao động nội (Hz),
R đƣợc tính bằng () và C đƣợc tính bằng (F)
Thông số nhà sản xuất khuyến cáo R3 chọn trong khoảng 0 đến 500 , R4 trong khoảng 2k đến 150k, và C2 trong khoảng từ 1nF đến 0.2uF
Với tần số f được chọn là 40kHz và tần số đóng cắt trên khóa là 20kHz, độ rộng xung được giới hạn từ 0% đến 40% Các giá trị được chọn cho mạch là R3 = 330Ω, R4 = 10KΩ và C2 = 2.2nF.
Tụ softstart C5 C6 được chọn có giá trị khoảng 10uF, giúp thời gian softstart đạt khoảng 1 giây R2, R1 và C1 kết hợp với bộ ERR amp tạo thành mạch lọc thông thấp, khuếch đại tín hiệu sai số phản hồi từ optocoupler Với tần số đóng cắt 20kHz, mạch lọc có tần số cắt tại 10kHz, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống.
Với R1 = 499KΩ, R2 = 9KΩ, và C1 = 330pF, khảo sát biểu đồ Bode của mạch lọc cho thấy D7, D8, D9 là các diode zener với điện áp zener Vz = 100V TL431 là diode zener có khả năng điều chỉnh, và cần hiệu chỉnh biến trở VR2 để duy trì điện áp ổn định ở mức 350V trên các diode zener Tín hiệu điện áp sai lệch được phản hồi thông qua opto U6 hoạt động ở chế độ tuyến tính.
Mạch giảm áp sử dụng cấu hình Half-Bridge với IC SG3525 để điều khiển, cho phép đạt điện áp khoảng 300V trên cuộn dây sơ cấp khi đầu vào Vdc là 0V Ngõ ra của biến áp được định mức để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Mạch Half-Bridge 1 pha (Hình 5.7) sử dụng IC LM2576 để điều khiển ổn định điện áp đầu ra với hiệu suất cao IC này tích hợp chức năng bảo vệ quá dòng và quá nhiệt, cho phép điện áp đầu vào rộng từ 45-64V Mạch hoạt động theo cấu hình buck với tần số đóng ngắt cố định 52kHz, cung cấp dòng tối đa 3A và đạt hiệu suất khoảng 88%, với sai số điện áp tối đa là +/-4%.
Hình 5.8 – Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp
Biến áp thường được sử dụng để cung cấp nguồn cho mạch điện với điện áp AC đầu vào, đặc biệt trong việc kiểm tra mạch khi điện áp DC không ổn định Hai biến áp được nối tiếp với điện áp định mức 240V mỗi cái, cho phép hoạt động tối đa lên đến 480V, phù hợp với mạng điện 3 pha 380V phổ biến.
Hình 5.9 – Sơ đồ nguồn phụ tuyến tính
Mô hình 3D xây dựng trên phần mềm Altium Designer:
Hình 5.11 Mạch nguồn thực tế.
Thiết kế mạch cảm biến dòng điện, điện áp
Mạch cảm biến sử dụng cảm biến dòng LA 25NP, cảm biến áp LV 25P của hãng LEM, hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall
Cảm biến đo dòng điện LA 25-NP:
Tỉ số biến dòng 1,2,3,4,5-1000 Độ chính xác +/- 0.5 %
Băng thông 150kHz Điện trở cách điện tại 500V 1500 MOhm Điện áp cách ly 2.5kV
Cảm biến điện áp LV 25-NP đƣợc đấu nối qua điện trở, chuyển đổi điện áp thành dòng điện, làm việc nhƣ 1 cảm biến dòng theo hiệu ƣng Hall
Sơ đồ đấu nối cảm biến điện áp LV 25-NP
Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến dòng áp DC bus
Mạch khếch đại tín hiệu cảm biến sử dụng IC khếch đại vi sai Opamp OP07 được trình bày trong sơ đồ nguyên lý Hình 5.13 Tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc thông thấp RC, giúp loại bỏ các xung nhiễu và cắt tần số cao, đảm bảo tín hiệu đầu ra ổn định và chính xác.
Hình 5.14 Mô hình 3D xây dựng trên phần mềm Altium Designer
Hình 5.15 Mạch nguyên lý dưới dạng 3D
Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp tín hiệu dòng điện AC bus sử dụng 3 cảm biến dòng điện để đọc 3 dòng điện của dây 3 pha Tỉ số biến dòng được thiết lập là 3:1000, cho phép đọc dòng điện tối đa lên đến 8A.
Sơ đồ nguyên lý đấu nối cảm biến dòng đo 3 dòng điện dây ngõ ra AC 3 pha
Hình 5.16 – Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng LA25-NP
Sơ đồ nguyên lý đấu nối cảm biến điện áp 1 pha, với điện áp đỉnh tối đa đo đƣợc 500V
Hình 5.17 – Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp LV25-NP
Mạch tạo điện áp tham chiếu so sánh sử dụng IC TL431 hoạt động nhƣ 1 zener có độ chính xác cao
Hình 5.18– Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp tham chiếu
Mạch khếch đại tín hiệu cảm biến dòng áp 3 pha ngõ ra
Sơ đồ nguyên lý mạch khếch đại và offset tín hiệu cảm biến cho thấy tín hiệu từ cảm biến dòng có cực đại khoảng (+/-1.5V) dạng AC, tương ứng với giá trị dòng (+/-10A) và điện áp (+/-600V) Tín hiệu này được nâng offset sang dạng DC với điện áp offset 1.5V, tạo ra biên độ từ (0-3V) để đọc về DSP 12 bit (0-4096).
Hình 5.20 - Vấn đề offset tín hiệu hồi tiếp
Mô hình 3D xây dựng trên phần mềm Altium Designer:
Hình 5.22 – Mạch cảm biến thực tế.
Thiết kế bộ nghịch lưu 3 phase
Bộ nghịch lưu ba pha 2 bậc sử dụng 6 khóa bán dẫn công suất (IGBT) để điều khiển việc đóng ngắt, chuyển đổi điện áp DC đầu vào thành AC với tần số có thể điều chỉnh ở đầu ra.
Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm bộ nghịch lưu:
Điện áp VDS ( Mosfet) hay VCE ( IGBT) > VDC
Dòng điện qua linh kiện > dòng định mức của động cơ ≈ 10A ở nhiệt độ hoạt động
Chịu đƣợc tần số đóng ngắt cao
Ngõ ra AC kết nối với mạch lọc thông thấp LC nhằm loại bỏ các hài bậc cao của dòng điện và điện áp, giúp đạt tiêu chuẩn chất lượng với độ méo dạng dưới 5%.
Mô hình sử dụng module IGBT Semikron SEMiX202GB128 tích hợp nhiều chức năng, với mỗi module gồm 2 IGBT ghép nối tiếp Để xây dựng bộ nghịch lưu 3 pha, cần sử dụng 3 module IGBT được kết nối, với tổng cộng 6 khóa IGBT.
Sử dụng 3 module IGBT Semikron SEMiX202GB128 với điện áp Vces khoảng 1200V và dòng điện Ic khoảng 200A, bán cầu này bao gồm 2 khoá IGBT mắc nối tiếp Module được tích hợp mạch kích cách ly và có tính năng bảo vệ quá dòng (OCP), quá nhiệt (OTP), cũng như bảo vệ quá áp và thấp áp (UVP, OVP).
Mạch lọc LC hai phần tử là một thành phần quan trọng trong hệ thống đầu ra của bộ nghịch lưu PWM, chủ yếu được sử dụng để lọc áp AC Chức năng chính của mạch lọc LC là giảm thiểu độ gợn của điện áp phát sinh từ việc đóng ngắt tần số cao của bộ nghịch lưu PWM, đồng thời làm giảm độ méo của dòng điện và điện áp.
Các bước thiết kế bộ lọc LC như sau:
Xác định tần số cắt bộ lọc theo tần số đóng ngắt bộ nghịch lưu
Để độ gợn áp ∆V
