THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY BƠM SỬ DỤNG NGUỒN CẤP PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (22)

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT

T ổng quan về năng lượng mặt trời

1.1.1 Tình hình và xu thế phát triển năng lượng mặt trời a) Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và tái tạo với trữ lượng khổng lồ lên tới 3,865.10^17 GW Tuy nhiên, Trái đất chỉ nhận được một phần nhỏ trong tổng lượng năng lượng này, cụ thể là 17,57.10^10 watt mỗi giây.

MJ tương đương với năng lượng từ việc đốt cháy 6 triệu tấn than đá Nó cũng là nguồn gốc cho các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thủy năng và năng lượng đại dương.

Thực tế hiện nay, nguồn năng lượng mặt trời cũng tồn tại nhiều khó khăn trong việc khai thác và sử dụng chúng b) Công nghệ năng lượng mặt trời

Công nghệ NLMT là công nghệ khai thác năng lượng mặt trời

Hiện nay, hai công nghệ sản xuất điện mặt trời phổ biến là công nghệ quang điện (SPV) và công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời (CSP).

Công nghệ quang điện SPV chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành dòng điện thông qua hiệu ứng quang điện, sử dụng các tế bào quang điện hay pin mặt trời nhỏ Những pin này được kết hợp lại để tạo thành tấm pin mặt trời lớn.

Công nghệ CSP, hay còn gọi là công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (Solar Thermal Energy), sử dụng hệ thống ống kính và gương phản chiếu để tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một diện tích nhỏ Các hệ thống theo dõi giúp tối ưu hóa việc thu thập năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu quả sử dụng.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời

Xu hướng toàn cầu trong phát triển năng lượng mặt trời đang chuyển dịch mạnh mẽ sang các công nghệ tiên tiến, với công nghệ điện pin mặt trời giữ vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực này.

Sản lượng điện từ năng lượng mặt trời trên toàn cầu đang gia tăng mạnh mẽ Dưới đây là bảng số liệu tổng hợp về điện năng sản xuất từ công nghệ SPV của các quốc gia hàng đầu tính đến năm 2013.

Bảng 1.1 Top 10 quốc gia có tổng công suất sản lượng điện mặt trời lớn

Nước Tổng điện năng lương trời

Tỷ lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gia Đức 35.65 5.3% Ý 18 9%

1.1.2 Pin mặt trời a) Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa nhiều diode p-n Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, thiết bị này có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được thông qua hiện tượng gọi là hiệu ứng quang điện.

Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện kết hợp lại với nhau, vì mỗi tế bào chỉ sản sinh ra một lượng điện và công suất rất nhỏ Do đó, việc ghép nối các tế bào là cần thiết để tăng cường hiệu suất và khả năng cung cấp điện.

Vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời (và các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể

Pin mặt trời hoạt động dựa trên sự tương tác giữa chất bán dẫn silicon và năng lượng ánh sáng mặt trời Khi photon từ ánh sáng mặt trời tác động lên silicon, các electron tự do tại điện cực N di chuyển để lấp đầy các lỗ trống ở điện cực P Quá trình này tạo ra một điện trường, biến các tế bào năng lượng mặt trời thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P sang điện cực N, ngăn cản dòng di chuyển ngược lại Sự chuyển động của electron từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện một chiều.

Mỗi tấm pin PV có hai đường cong phi tuyến đặc trưng là đặc tính I-V và P-V Đặc tính P-V được tính toán dựa trên đường đặc tính I-V, và cả hai đường đặc tính này đều có hình dạng nhất định.

Hình 1.2 Đường đặc tính P-V của 1 thiết bị quang điện

Với yêu cầu sử dụng các tấm pin SQ160, từ tài liệu [3] chúng ta sẽ có được đường đặc tính I-V của tấm pin này như sau:

Hình 1.3 Đặc tính I-V của pin SQ160 khi cường độ thay đổi (trái) và khi nhiệt độ thay đổi (phải)

Đường đặc tính I-V của một thiết bị phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và cường độ chiếu sáng Khi cường độ ánh sáng tăng, đường đặc tính có xu hướng dịch chuyển lên trên Ngược lại, khi nhiệt độ tăng, đường đặc tính di chuyển về phía bên trái.

1.1.3 Các hệ thống với pin mặt trời

Hiện tại, đối với hệ thống sử dụng pin mặt trời, người ta đã xây dựng một số hệ thống tiêu biểu như sau:

- Hệ thống điện mặt trời độc lập

- Hệ thống điện mặt trời độc lập có bù lưới

- Hệ thống điện mặt trời độc lập kết hợp hòa lưới

- Hệ thống điện mặt trời trực tiếp

- Hệ thống điện mặt trời nối lưới

- Hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

- Hệ thống điện mặt trời độc lập kết hợp

- Hệ thống điện mặt trời độc lập thông minh

Gi ới thiệu về hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

1.2.1 Giới thiệu động cơ bơm nước Động cơ bơm nước là động cơ không đồng bộ được sử dụng cho mục đích bơm nước từ hồ, sông, dưới lòng đất lên

Máy bơm nước sử dụng trong công nghiệp và dân dụng có rất nhiều chủng loại khác nhau: bơm cánh quạt, bơm hỏa tiễn, bơm ly tâm…

Bơm cánh quạt là thiết bị bơm hoạt động nhờ vào motor quay cánh quạt, giúp hút nước vào qua ống hút Nước thường được hút theo phương song song với trục bơm và được thổi ra theo nhiều hướng khác nhau Tùy thuộc vào thiết kế của nhà sản xuất, có các loại bơm khác nhau như bơm hướng trục, bơm dọc trục và bơm hỗn hợp.

Bơm điện hỏa tiễn, hay còn gọi là bơm chìm, là loại bơm hoàn toàn được đặt dưới nước Nguyên lý hoạt động của bơm này tương tự như bơm ly tâm, trong đó nước được hút lên từ miệng hút nhờ lực hút từ cánh quạt Sau khi nước được vận chuyển qua thân bơm, nó sẽ được đẩy lên qua ống đẩy của bơm.

Bơm ly tâm hoạt động dựa trên nguyên tắc lực ly tâm, được tạo ra từ sự quay của cánh bơm do mô tơ điện dẫn động Khi lực ly tâm tác động, dòng chất lỏng được đẩy ra ngoài, tạo ra vùng áp suất thấp trong thân bơm, từ đó nước được hút vào qua ống hút và đẩy ra qua ống đẩy.

1.2.2 Giới thiệu về hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

Nước đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp ở các nước nông nghiệp châu Á như Việt Nam Trong bối cảnh cuộc cách mạng năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đã được áp dụng rộng rãi và trở thành giải pháp hiệu quả Do đó, hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời đang thu hút sự chú ý đáng kể trong ngành nông nghiệp.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời Ưu điểm

Mặt trời cung cấp nguồn năng lượng vô tận, sạch sẽ và hoàn toàn miễn phí, cho phép chúng ta sử dụng mà không phải chi trả bất kỳ khoản phí nào.

• Hệ thống bơm năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường, hoàn toàn không gây hại và không gây bất kỳ tiếng ồn nào

• Hệ thống bơm trực tiếp từ mặt trời có độ bền cao, hầu như không phát sinh chi phí vận hành

• Chi phí cho một hệ thống thấp, tuổi thọ hệ thống cao, hệ thống đạt hiệu quả kinh tế cao Ứng dụng

Hệ thống này kết hợp nhu cầu tưới nước với nguồn năng lượng mặt trời miễn phí, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí, đồng thời bảo vệ môi trường Đây là giải pháp lý tưởng cho các trang trại trồng rau, cây ăn trái, cao su, cà phê, điều, tiêu và thanh long.

Ứng dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho máy bơm nước không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn tạo ra một điểm tham quan lý tưởng cho mô hình nông nghiệp công nghệ cao.

Ứng dụng cho trang trại và những khu vực chưa có điện, cũng như những nơi đã có điện, nhằm khắc phục nhược điểm của máy phát sử dụng xăng dầu với chi phí ngày càng cao và tác động ô nhiễm môi trường, đồng thời giúp giảm hóa đơn điện hàng tháng.

• Ứng dụng cho các biệt thự, công ty để tưới vườn cỏ, cây trong sân vườn tự động

1.2.3 Các phương án và giải pháp đối với hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời Đối với hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời, hai phương án được đưa ra là:

- Hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời dùng ắc-quy

- Hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời không dùng ắc-quy

Hệ thống bơm năng lượng mặt trời không sử dụng thiết bị tích trữ điện giúp đơn giản hóa quy trình và tiết kiệm chi phí Việc sử dụng điện áp DC từ pin mặt trời mang lại hiệu quả cao trong việc vận hành bơm mà không cần phụ thuộc vào nguồn điện lưới.

Chương 1 Tổng quan về hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời sẽ được chuyển thành điện áp AC 3 pha cấp cho động cơ bơm Hệ thống bao gồm 3 phần chính là pin mặt trời, biến tần, động cơ bơm Có 2 cấu trúc được xây dựng cho hệ thống bơm 3 pha sử dụng năng lượng mặt trời: có bộ DC-DC boost converter và không có

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống bơm có sử dụng bộ DC-DC boost converter

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bơm không sử dụng DC-DC boost converter

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ

C ấu trúc điều khiển

Cấu trúc của đồ án này được thiết kế dựa trên hệ thống bơm năng lượng mặt trời, không sử dụng thiết bị lưu trữ điện và không cần bộ chuyển đổi DC-DC.

Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ như điều khiển vô hướng, điều khiển theo vector (FOC) và điều khiển momen (DTC) Trong đó, điều khiển vô hướng như U/f phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, nhưng các phương pháp phức tạp hơn như FOC và DTC mang lại chất lượng truyền động cao hơn Tuy nhiên, ứng dụng bơm sử dụng năng lượng mặt trời không yêu cầu chất lượng cao, và phương pháp FOC cần cảm biến đo tốc độ, điều này không khả thi cho hệ thống bơm Do đó, phương pháp điều khiển được chọn cho ứng dụng này là điều khiển vô hướng.

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển của hệ thống

Chương 2 Xây dựng thuật toán và cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi

Khối thuật toán MPPT có chức năng xác định điểm công suất tối đa của pin mặt trời Đầu vào của hệ thống là tín hiệu điện áp và dòng điện từ pin mặt trời, trong khi đầu ra là tần số điều khiển cho stato của động cơ không đồng bộ.

Khối Ramp có nhiệm vụ giúp cho tần số đặt vào động cơ không bị tăng quá nhanh hoặc giảm nhanh

Khối U/f từ tần số đặt tính toán ra lượng điện áp để đặt lên động cơ theo luật điều khiển

Khối SVM chịu trách nhiệm tính toán thời gian đóng ngắt của van bán dẫn trong mạch nghịch lưu, đảm bảo rằng giá trị trung bình của điện áp đầu ra của mạch này bằng với giá trị điện áp được cung cấp vào khâu SVM.

Thu ật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT

2.2.1 Mô hình toán học của pin mặt trời

Pin mặt trời là tổ hợp của nhiều solar cells được kết nối và hỗ trợ lẫn nhau Khi tìm hiểu tổng quan về PV, chúng ta chỉ tập trung vào các cell, mà trong đó có các lớp p-n kề nhau, tạo ra dòng điện khi có ánh sáng mặt trời Mạch tương đương của một cell có thể được coi như một nguồn dòng nối song song với một diode, với đầu ra tỷ lệ trực tiếp với lượng ánh sáng chiếu đến Khi không có ánh sáng, các cell không hoạt động và PV sẽ giống như một diode.

Vậy ta có mạch tương đương của pin PV như sau:

Hình 2.2 Mô hình tương đương của tấm pin mặt trời

Chương 2 Xây dựng thuật toán và cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi Đầu ra mạch điện sẽ có phương trình sau: d0 d0 d0 ph d0 ph 0 p p

I0 là dòng bão hòa qua diode

Id 0 là dòng trung bình qua diode q là điện tích nguyên tố, có giá trị q = − 1, 6.10 − 19 (C) k là hằng số Boltzmann, có giá trị k=1,38.10 (J/ K) 23 a là hệ số diode lý tưởng, có giá trị 1 a≤ ≤1,5.

T là nhiệt độ của tấm PV

𝑅𝑠 𝑣à 𝑅𝑝 là điện trở trong đặc trưng cho các tổn hao công suất trong quá trình làm việc của pin quang điện

Tổng quát, dòng đầu ra của 1 cell sẽ là: s s pv 0 t p

Trong trường hợp có nhiều tấm pin năng lượng mặt trời được kết nối với nhau, bao gồm N mô-đun mắc nối tiếp và Npar mô-đun mắc song song, ta có thể xây dựng một mô hình toán học tương ứng để phân tích hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống.

Hình 2.3 Mô hình tường đương của nhiều tấm pin mặt trời

Phương trình toán học là: ser ser s s par par pv par 0 par t ser ser p par

Từ phương trình, ta thu được 2 đồ thị P-V và đồ thị I-V của pin mặt trời có dang như hình:

Hình 2.4 Đồ thị I-V và P-V của pin mặt trời

Tại một điều kiện nhiệt độ nhất định, chỉ có một điểm công suất lớn nhất (MPP) trên đồ thị I-V, chia đồ thị thành hai phần Phần bên trái được gọi là khu vực nguồn dòng, nơi dòng điện đầu ra gần như là hằng số, trong khi phần bên phải được xác định là khu vực nguồn áp, nơi điện áp đầu ra không thay đổi nhiều.

Trong hệ thống bơm năng lượng mặt trời không sử dụng acquy, điểm làm việc của pin mặt trời được điều khiển bởi tần số đầu ra của bộ biến tần Điểm công suất lớn nhất (MPP) được dò tìm bằng cách điều chỉnh tần số, tăng trong khu vực nguồn áp và giảm trong khu vực nguồn dòng Hệ thống với tải là động cơ cuộn cảm không ổn định trong khu vực nguồn dòng, vì điện áp đầu ra của tấm pin mặt trời sẽ giảm nhanh chóng, dẫn đến việc hệ thống có thể vào chế độ bảo vệ thấp áp nếu tần số không được giảm kịp thời.

2.2.2 Một số thuật toán MPPT truyền thống

Do hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin mặt trời thấp và thời tiết biến động, việc xác định điểm công suất cực đại của tấm pin trở nên rất quan trọng.

Chương 2 Xây dựng thuật toán và cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi trọng Nó giúp tăng hiệu năng sử dụng lên thêm 20%-30% Thuật toán MPPT là thuật toán phương pháp dò tìm điểm công suất làm việc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời

Có một số phương pháp được đề xuất để thực hiện thuật toán MPPT truyền thống

Phương pháp dò tìm điểm MPP (Maximum Power Point) có thể được thực hiện bằng cách sử dụng tiêu chuẩn duy nhất, trong đó phương pháp xáo trộn và quan sát (P&O) là một trong những phương pháp phổ biến Phương pháp này cho phép điều chỉnh các đại lượng đầu ra như điện áp, tần số và hệ số điều chế để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng.

Phương pháp P&O đã trở thành lựa chọn phổ biến cho thuật toán MPPT nhờ vào tính dễ thực hiện của nó Trong hệ thống bơm năng lượng mặt trời độc lập, nguồn gốc điều khiển của phương pháp P&O được thể hiện qua các biến số f(n), f(n+1), P(n), và P(n+1).

Phương pháp P&O chỉ hiệu quả khi bức xạ mặt trời ổn định; nếu bức xạ thay đổi nhanh, hệ thống có thể điều chỉnh không chính xác và dừng hoạt động Khi cường độ bức xạ giảm nhanh, công suất đầu ra của tấm pin cũng giảm mạnh, dẫn đến việc tần số đầu ra phải giảm để duy trì cân bằng công suất Nếu công suất yêu cầu bởi bơm lớn hơn công suất đầu ra của tấm PV, điện áp hệ thống sẽ giảm nhanh và hệ thống sẽ chuyển sang chế độ bảo vệ điện áp thấp.

Phương pháp INC giúp khắc phục nhược điểm nhạy cảm với điều kiện môi trường của P&O bằng cách sử dụng điện dẫn gia tăng của tấm PV để xác định điểm MPP Thuật toán INC được áp dụng cho hệ thống bơm mặt trời độc lập, cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng thông qua việc điều chỉnh liên tục dựa trên các thông số I/V.

Thuật toán này so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với điện dẫn gia tăng (I/V) để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất, gọi là điểm MPP, tại đó điện áp chuẩn V ref = V mpp Khi điểm MPP được xác định, hoạt động của pin sẽ được duy trì tại điểm này, trừ khi có sự thay đổi về dòng điện I, phản ánh sự biến động của điều kiện thời tiết và điểm MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm kiếm điểm MPP, nhưng nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và gây ra dao động tại điểm MPP.

Hệ thống sử dụng thuật toán INC lý thuyết hoạt động tại điểm MPP với động học cải thiện, nhưng tiêu chuẩn I/V + ∆I/∆V hiện tại không phù hợp cho bộ điều khiển dựa trên MCU dấu phẩy động.

Vì vậy cần thiết phải có phương pháp mới đảm bảo hoạt động tốt nhất cho hệ thống

2.2.3 Phương pháp lai Hybrid a) Thuật toán lai

Phương pháp lai, một phương pháp điều khiển mới, đã được đề xuất nhằm cung cấp động học và ổn định tốt cho hệ thống Chiến lược thực hiện phương pháp này bao gồm hai phần chính: thuật toán quyết định tăng giảm tần số đầu ra và lựa chọn kích thước bước nhảy của tần số.

Phương pháp lai này kết hợp giữa phương pháp CV (phương pháp điện áp không đổi) và phương pháp MC (phương pháp đa tiêu chí) Nó chủ yếu dựa trên phương pháp CV, với điện áp tham chiếu được xác định bởi phương pháp MC ở chu kỳ trước đó.

Trong đó: ∆f là độ rộng bước biến thiên của tần số ra (step size)

V ref là giá trị điện áp MPP tracking được ở chu kì trước đó

Điều khiển động cơ theo phương pháp U/f

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt điện áp 3 pha vào dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của nó quay với tốc độ góc là:

Tần số dòng điện cấp cho stator là f, trong khi p là số đôi cực của dây quấn stator Từ trường của stator sẽ cảm ứng ra các dòng điện trong các thanh dẫn của rotor (đối với rotor lồng sóc) hoặc trong các cuộn dây của rotor (đối với rotor dây quấn) Những dòng điện này, khi nằm trong từ trường quay của stator, sẽ tạo ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng hợp các lực này sẽ tạo ra mômen quay cho rotor, khiến rotor quay cùng hướng với từ trường của stator.

Khi từ trường Stator được tạo ra, Rotor nhanh chóng tăng tốc để theo kịp từ trường quay Tuy nhiên, khi từ trường quay quét qua Rotor, sức điện động cảm ứng ở Rotor giảm dần, dẫn đến dòng điện trong Rotor cũng giảm theo.

Khi tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường quay, lực điện từ sẽ không được sinh ra và rotor sẽ quay chậm lại Vì vậy, tốc độ rotor không thể đạt bằng tốc độ đồng bộ, mà tốc độ đồng bộ lại phụ thuộc vào tần số nguồn điện và số đôi cực của động cơ Sự khác biệt giữa hai tốc độ này được gọi là tốc độ trượt.

2.3.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f

Khi điều chỉnh tần số, trở kháng, từ thông và dòng điện của động cơ sẽ thay đổi Để đảm bảo các chỉ tiêu điều chỉnh mà không gây quá dòng cho động cơ, cần điều chỉnh cả điện áp Hệ thống biến tần nguồn áp yêu cầu giữ khả năng quá tải về momen không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh tốc độ Momen cực đại do động cơ sinh ra là momen tới hạn Mth, và khả năng quá tải về momen được xác định bởi hệ số quá tải momen λ.

Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn stato Rs = 0 thì từ … có thể tính được momen tới hạn như sau: th 2 2

M ≈K.Us ω Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là th thdm dm

Từ hai biểu thức trên ta rút gọn được: s sdm o odm thdm

= M ω ω (2.12) Đặc tính cơ gần đúng của các máy sản xuất (phụ tải) có thể được viết như sau: x o c dm odm

Ta được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về momen không đổi:

Hay ở dạng đơn vị không tên:

- Đối với tải cần trục x =0, M c =M dm =const :

Luật điều khiển là Us * =fs * hay U / f =const

- Đối với tải quạt gió x =2,

Luật điều khiển là Us * =( )fs * 2 hay U / f 2 =const

- Đối với tải máy tiện x = -1, dm o_dm o

Luật điều khiển là U s * = ( ) f s * 1/2 hay U / f 2 = const

- Đối với tải ma sát nhớt x = 1,

Luật điều khiển là U s * = ( ) f s * 3/2 hay U / f 2 3 = const

Hệ thống bơm năng lượng mặt trời sử dụng động cơ quạt gió, do đó phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng tần số U/f2 là giải pháp phù hợp.

Điều chế vector không gian

Hình 2.9 Bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

Hình 2.12 minh họa sơ đồ của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha sử dụng 3 cặp van bán dẫn IGBT Mỗi cặp van tạo ra 8 trạng thái đóng ngắt, tương ứng với 8 vector biên chuẩn Những vector biên chuẩn này phân chia không gian vector thành 6 sector khác nhau.

Hình 2.10 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:

Bước 1:Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch nghịch lưu

Bảng 2.2 Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

The article discusses the representation of various vectors in a specific coordinate system, detailing the relationships between different points labeled as S1 through S6 Each vector is defined by its components, such as U dc, with angles indicating their orientation For instance, vector u1 connects points S1, S2, and S3 with specific values of U dc, while u2, u3, and others follow a similar pattern, illustrating the interconnectedness of these points through their respective vectors The article emphasizes the mathematical relationships and angles associated with these vectors, providing a comprehensive overview of their configurations.

Biên độ các vector chuẩn (| u |1 ,| u | 2 ,| u | 3 ,| u | 4 ,| u | 5 , | u | 6 ) đều có độ lớn là 2/3

Udc và các góc pha lệch nhau một góc / 3π , biên độ của 2 vector không còn lại (| u |0 ,

| u |7 ) có độ lớn bằng không Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector chia làm 6 sector đều nhau, có độ mở là / 3π

Nguyên tắc điều chế không gian vector dựa trên việc tổng hợp vector điện áp từ các vector điện áp đã biết trong mạch nghịch lưu Quá trình này được thực hiện qua các bước tuần tự để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc điều khiển điện áp.

- Tính toán thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực hiện vector không và vector tích cực trong một chu kì điều chế

- Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm trong các sector khác nhau

- Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Cách 1: Sử dụng phép tính lượng giác

Cách 2: Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời u , u , u sa sb sc

Tính u sa , u sb , u sc theo (*) u sa ≥ u sb

(*) u α u β u sb ≥ u sc u sb < u sc u sc ≥ u sa u sc < u sa

Sector 3 Sector 2 Sector 4 Sector 1 Sector 5 Sector 6

Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng

Hình 2.12 Thuật toán xác định vector điện áp trong mỗi sector

Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế T s

Vector điện áp đặt u s sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời gian

T , T Thời gian còn lại (T s − −T 1 T ) 2 thực hiện vector không

Hình 2.13 Nguyên tắc điều chế vector điện áp

= Hệ số điều chế d1, d 2 được xác định như sau:

Hệ số d 0 điều chế vector không xác định d0 = 1- d 1 - d 2

Bước 4: Tính toán thời gian thực hiện hoặc hệ số điều chế cho nhánh van nghịch lưu trong mỗi chu kỳ Ts Để giảm thiểu tổn hao do việc đóng cắt các van, cần đảm bảo rằng trong mỗi chu kỳ, các cặp van phải chuyển mạch ít nhất một lần.

Trình tự chuyển mạch như sau 𝑢𝑢 1 → 𝑢𝑢 2 → 𝑢𝑢 7 → 𝑢𝑢 2 → 𝑢𝑢 1 → 𝑢𝑢 0 với thời gian tương ứng d a – d b – d c – d b - d a thì số lần chuyển mạch là ít nhất Ta có mẫu xung đưa ra trong Sector 1 như hình 2.14

Hình 2.14 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1

Tính toán và l ựa chọn các thiết bị cho bộ biến đổi

Bảng 2.3 Tham số của động cơ thiết kế

Công suất định mức 2.2 kW Điện áp dây ∆/Y 220/ 380 V

Tốc độ định mức 1450 vòng/phút

Bảng 2.4 Thông số của một tấm pin SQ160 Điện áp hở mạch 43.5 V

Dòng điện ngắn mạch 4.9 A Điện áp tạ điểm MPP 35 V Dòng điện tại điểm MPP 4.58 A

2.5.1 Tính số tấm pin mặt trời Động cơ 3 pha IM 2.2kW được sử dụng do đó công suất của mảng PV được thiết kết phải trên 2.2 kW để dự trữ do tổn hao gây ra Ở đây, thiết kế PV với công suất lớn nhất là 2.4 kW Công suất tối đa của PV khi ghép nhiều tấm nối tiếp và song song như sau:

V mpp : điện áp tại điểm MPP của 1 tấm pin mặt trời

Impp : dòng điện tại MPP của 1 tấm pin mặt trời

Pmpp: công suất tại điểm MPP

N s : số tấm PV ghép nối tiếp

Np: số tấm PV ghép song song

Tại điểm công suất cực đại, điện áp và dòng điện thường đạt khoảng 80% so với giá trị Voc và Isc Do đó, công suất tối đa Pmpp có thể được tính bằng công thức: Pmpp = Vmp * Imp.

P =N * 0,8 * V * N * 0,8 * I =2.4kW Thiết kế với điện áp hở mạch của tấm là 660V Điện áp hở mạch của mỗi tấm pin

Voc C.5V, dòng ngắn mạch là Isc =4.9A, suy ra: ocpanel s occell

= = Các modue PV được nối song song nên: Impp =N * Ip sc, mà I sc =4.9Anên N p =1

Vậy sẽ có 15 module nối tiếp và 1 module mắc song song để đạt được công suất mảng PV là 2.4kW

2.5.2 Tính điện dung của tụ

Sức chứa của tụ điện được tính theo công thức sau:

Với: V dc là điện áp đặt DC của khối VSI

Vdc1 là điện áp DC link tối thiểu α là hệ số quá tải

V và I là điện áp và dòng của 1 pha vào động cơ IM t là thời gian chịu khi điện áp giảm tới điện áp tối thiểu cho phép DC link

⇒ 2 − =>C dc 97 Fà Vậy ta lựa chọn 2 tụ 2200 F / 450Và mắc nối tiếp

Dòng điện trung bình qua van bằng với dòng qua 1 pha: Itbv =8.8 A( )

Chọn hệ số dự trữ dòng K i =1.5 ta tính được dòng qua van v i tbv ( )

Do chỉ có một van dẫn hoạt động trên mỗi nhánh van tại một thời điểm, van còn lại sẽ khóa lại Do đó, điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu chính là điện áp trên tụ C, được biểu thị là U ng max = f0 V().

Chọn hệ số dự trữ điện áp Ku =1.5 Vậy: U v =K U u ng max =1,5.6600 V( )

Với điều kiện dòng và áp làm việc như trên ta chọn van là FNA23512A của hãng FAIRCHILD Van có các thông số kỹ thuật như bảng 2.5

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của van FNA23512A

Thông số kỹ thuật Đại lượng Mô tả Giá trị Đơn vị

VCES Điện áp cực Collector-Emitter 1200 V

VGES Điện áp cực Gate-Emitter ±20 V

IC Dòng điện Collector TC = °25 C 35 A

TJ Nhiệt độ hoạt động -40 to +150 °C

IF Dòng qua Diode liên tục 35 A

IFM Dòng qua Diode tối đa 70 A

Chương 4 Xây dựng mô hình thực nghiệm

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK

Sơ đồ mô phỏng hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống

Hệ thống gồm có các khối:

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng khối PV array

Khối PV array đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính của các tấm pin mặt trời khi được ghép nối Đầu vào của khối này bao gồm các điều kiện môi trường như nhiệt độ và cường độ ánh sáng Hai yếu tố này, nhiệt độ và cường độ, là những yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và đặc tính của pin mặt trời.

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng khối Controller

Khối Controller thực hiện thuật toán điều khiển và phát xung mở van thông qua quy trình sau: Đầu tiên, thuật toán MPPT được áp dụng để tạo ra tần số đầu vào cho khối Ramp Tiếp theo, tần số này được truyền đến khối U/f nhằm thực hiện luật điều khiển động cơ bơm Dựa trên điện áp và tần số, điện áp u và u α β được tạo ra Cuối cùng, quá trình điều chế vector không gian (SVM) được thực hiện để hoàn thiện điều khiển.

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng khối Inverter

Khối Inverter chính là mạch nghịch lưu ba pha sử dụng các van IGBT

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng khối Inductor motor

Khối Inductor motor là động cơ không động bộ 3 pha và có giả lập đặc tính momen cản của động cơ bơm nước.

K ết quả mô phỏng

3.2.1 Thông số mô phỏng của hệ thống

Hệ thống được mô phỏng trên Matlab Simulink với các thông số của tấm pin mặt trời và động cơ như bảng 3.1:

Bảng 3.1 Thông số mô phỏng của hệ thống

Thông số của pin mặt trời SQ160 tại điều kiện T% C° , G00 (Wm2) Thông số của động cơ Điện áp hở mạch 43.5 V Công suất định mức 2.2 kW

Dòng điện ngắn mạch 4.9 A Điện áp định mức (∆/ Y) 220/380 V Điện áp tại điệm MPP 35 V Dòng điện định mức (∆/ Y) 15.2/8.8 A Dòng điện tại điểm MPP 4.58 A Tần số định mức 50 Hz

Công suất lớn nhất 160 W Tốc độ định mức 1450 vòng/phút

Số tấm pin ghép nối tiếp 15 Số cặp cực 2

Số tấm pin ghép song song 1

3.2.2 Mô phỏng đặc tính pin mặt trời

Mô phỏng pin mặt trời SQ160 với điều kiện nhiệt độ T = 250° C, G00 W/m 2

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng đặc tính I-V và P-V của một tấm pin mặt trời

Kết quả mô phỏng cho đồ thị đặc tính của tấm pin cho thấy công suất lớn nhất Pmax đạt 0(W) tại điểm V5(V) và I=4.5(A), tương đương với công suất tối đa của tấm pin trong điều kiện T = 25° C, G00(Wm2) như thông số của pin SQ160 từ nhà cung cấp Các giá trị điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch cũng cho kết quả tương đồng với thông số của hãng.

3.2.3 Mô phỏng hệ thống bơm sử dụng năng lượng mặt trời a) Mô phỏng hệ thống với điều kiện thay đổi nhiệt độ

Mô phỏng nhiệt độ thay đổi từ 25°C - 30 °C tại thời điểm 6s, và cường độ mặt trời giữ nguyên không đổi G = 8000 (Wm ) 2

Hình 3.7 Đặc tính pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi

Hệ thống sẽ áp dụng thuật toán MC trong 5 giây đầu tiên, tiếp theo là thuật toán CV trong 4 giây, và sau đó quay lại thuật toán MC trong 2 giây Ở chu trình tiếp theo, thuật toán MC sẽ hoạt động trong 2 giây, sau đó là thuật toán CV trong 4 giây.

Thuật toán MC ban đầu xác định điểm công suất cực đại (MPP) và sau 4.5 giây đã tìm ra MPP Khi nhiệt độ thay đổi sau 6 giây, theo lý thuyết, điện áp MPP sẽ thay đổi, nhưng thuật toán CV giữ điện áp ổn định ở mức trước đó Điều này cho thấy tần số không thay đổi nhiều khi nhiệt độ biến động Đến thời điểm thứ 9, thuật toán MC được áp dụng lại để tìm MPP mới, trong khi thuật toán CV sẽ dừng hoạt động.

Hình 3.8 Công suất đầu ra của pin mặt trời khi thay đồi nhiệt độ

Tại thời điểm 4s, thuật toán MC đã xác định được điểm MPP với công suất P 1.95(kW) Theo datasheet, tại điều kiện T 25°C và G 00(W/m²), công suất lớn nhất của tấm pin cũng đạt Pmpp ≈ 1.95(kW) với 15 tấm nối tiếp Sự tương đồng giữa hai giá trị công suất này chứng tỏ rằng thuật toán MPPT đang hoạt động hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm công suất lớn nhất.

Hình 3.9 Đặc tính của động cơ khi nhiệt độ thay đổi b) Mô phỏng hệ thống với điều kiện thay đổi cường độ

Mô phỏng với trường hợp cường độ thay đổi từ 600 W/m 2 - 800 W/m 2 và nhiệt độ vẫn giữ cố định T % C°

Hình 3.10 Đặc tính của pin mặt trời khi thay đổi cường độ

Thời gian tìm điểm công suất cực đại (MPP) chỉ mất 4 giây Vào giây thứ 6, cường độ, dòng điện và điện áp của pin mặt trời có sự thay đổi nhẹ nhưng được xác lập nhanh chóng Điện áp tại điểm MPP được duy trì nhờ thuật toán CV, sau đó, thuật toán MC được thực hiện tiếp để xác định lại điểm công suất cực đại.

Hình 3.11 Công suất đầu ra của pin mặt trời khi thay đổi cường độ

Nhận xét: Tại điểm giây thứ 9, thuật toán dò tìm ra điểm công suất lớn nhất

P≈2.4(kW) Theo như thông số của nhà sản suất, tại điều kiển T= 25 C° và G = 8000 (Wm )2 thì công suất lớn nhất của tấm một tấm PV xấp xỉ 120 (W)

Với 15 tầm pin ghép nối tiếp, công suất Pmpp ≈1.95(kW)

Công suất mà thuật toán dò tìm đạt được gần như tương đương với công suất thiết kế của nhà sản xuất, điều này chứng tỏ rằng thuật toán MPPT đang hoạt động hiệu quả.

Hình 3.12 Đặc tính của động cơ khi thay đổi cường độ

K ết luận

Thời gian đáp ứng của hệ thống chậm Chất lượng điều khiển không cao

Nhưng với ứng dụng bơm không yêu cầu chất lượng hệ truyền động cao nên hệ thống như này vẫn đạt yêu cầu.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Xây d ựng hệ thống thực nghiệm

Mạch đo (HCPL-7800A) ACS-712 dsPIC33FJ64GP802

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thí nghiệm gồm 3 phần chính:

- Khối mạch lực: là bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp ba pha và các mạch đo

- Khối điều khiển Slave: sử dụng các vi điều khiển dsp TMS320F28069 để thực hiện cấu trúc điều khiển

Khối điều khiển master sử dụng vi điều khiển dsPIC33FJ64GP802 để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như GLCD, Eeprom, Keypad và RTC (Ds1307), nhằm tạo ra giao diện vận hành và giám sát cho hệ thống.

Ngoài ra, hệ thống cũng được ghép nối với máy tính ghép để điều khiển hệ thống

4.1.1 Thiết kế mạch lực a) Mạch lực

Theo như thiết kế cần sử dụng 2 tụ điện C "00 F / 450Và , van IGBT sử dụng FNA23512A

Hình 4.2 Hệ thống mạch lực b) Mạch đo điện áp

Mạch đo điện áp được thiết kế dựa trên phương pháp đo phân áp, sử dụng IC để cách ly với mạch lực, đảm bảo độ chính xác và an toàn trong quá trình đo lường Sơ đồ nguyên lý của mạch được trình bày rõ ràng, giúp người dùng dễ dàng hiểu và áp dụng trong thực tế.

Hình 4.3 Mạch đo điện áp

Mạch sử dụng IC HCPL 7800A, thuộc họ cảm biến đo dòng điện cách ly, rất phù hợp cho nhiều ứng dụng, đặc biệt là điều khiển động cơ Điện áp đầu vào của HCPL nằm trong dải từ -200mV đến 200mV, và điện áp đầu ra sẽ được khuếch đại lên 8 lần.

Do dải đầu vào của HCPL nhỏ, một mạch phần áp với tỷ lệ 1:4000 được thiết kế để điều chỉnh tín hiệu Đầu ra của HCPL sẽ được khuếch đại 1.8 lần qua mạch khuếch đại vi sai Sau đó, tín hiệu sẽ đi qua mạch lọc RC trước khi vào kênh ADC của vi điều khiển.

Mạch được thiết kế đo điện áp trong dải từ 0-800V DC c) Mạch đo dòng điện

Mạch đo dòng điện được thiết kế sử dụng IC ACS-712 Sơ đồ nguyên lý được thể hiện như hình sau

Hình 4.4 Sơ đồ nguyển lý mạch đo dòng điện

Cảm biến đo dòng IC ACS 712 là một thiết bị cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall, nổi bật với thời gian đáp ứng đầu ra nhanh và điện áp ra ổn định Việc sử dụng mạch ACS712 giúp đảm bảo cách ly hiệu quả giữa mạch lực và mạch điều khiển Đối với đo dòng điện xoay chiều, ACS712-30A có độ nhạy từ 64-68mV/A, trong khi ACS712-20A dành cho dòng điện một chiều có độ nhạy từ 96-104mV/A.

Dòng điện đi qua ACS tạo ra tín hiệu đầu ra điện áp từ 0-5V tương ứng với giá trị dòng điện Vì vi điều khiển sử dụng là loại 3.3V, tín hiệu sau ACS sẽ được điều chỉnh qua mạch phân áp với tỷ lệ 3:5 Bên cạnh đó, cần thiết phải có một mạch lọc RC để lọc tín hiệu, với thông số R0Ω và C= 1pF, mạch này được tích hợp trên mạch điều khiển Slave.

Xung PWM từ vi điều khiển chỉ phát ra tín hiệu từ 0-3.3V, không đủ để điều khiển van IGBT và thiếu cách ly với mạch lực, gây ra nguy cơ tiềm ẩn Do đó, việc sử dụng mạch driver là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình điều khiển.

Chương 4 Xây dựng mô hình thực nghiệm đảm bảo cách ly và đóng cắt được van IGBT Đối với van IGBT, xung mở van có biên độ 15V, xung khóa phải có giá trị -5V

HCPL-3120 là một HybridIC có khả năng điều khiển IGBT với dòng tối đa 150A và điện áp 600V, hoặc 75A và 1200V Với thời gian trễ nhỏ hơn 1us, mạch này có thể điều khiển van với tần số lên tới 40kHz.

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điều khiển Slave

Hình 4.7 Mạch điều khiển Slave

Mạch sử dụng Kit Launch Pad TMS320F28069 của Texas Instruments, với thiết kế truyền thông CAN qua IC SN65HVD235 và truyền thông RS485 sử dụng MAX3485 Cổng ADC được bảo vệ bằng diode chống quá áp, đồng thời có chân TripZone kết nối với chân Fault để cảnh báo ngắn mạch Thiết kế còn bao gồm hai đầu vào DI cách ly qua PC817 và hai đầu ra sử dụng relay loại 5VDC Nguồn cấp cho mạch là 5VDC.

4.1.3 Mạch điều khiển Master Ý tưởng mạch điều khiển Master với nhiệm vụ điều khiển, giám sát và cài đặt các thông số xuống mạch Slave để giảm bớt công việc cho Slave Đây có thể được coi là mạch điều khiển cấp trên

Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển Master

Mạch sử dụng vi điều khiển dsPIC33FJ64GP802-ISO để kết nối và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, EEPROM, IC Read Time và GLCD Vi điều khiển này đảm bảo khả năng tương tác hiệu quả với các thành phần khác trong hệ thống.

Chu ẩn hóa tín hiệu

Giả sử một đại lượng vật lý thực có giá trị x và giá trị cực đại của nó là X Khi chia giá trị thực x cho giá trị cực đại X, ta có thể biểu diễn đại lượng vật lý đó trong hệ đơn vị tương đối.

Khi biểu diễn một đại lượng vật lý bằng X, thứ nguyên của nó sẽ không còn nữa, nhưng ý nghĩa của giá trị X vẫn được bảo tồn Giá trị X này sẽ được thiết lập trên DSP và được ký hiệu tương ứng.

Các giá trị thực hiện chuẩn hóa là dải do lớn nhất do mạch đo lường quyết định (giới hạn mạch đo lường) được chỉ ra trong bảng

Bảng 4.1 Giới hạn đại lượng chuẩn hóa theo mạch đo lường

Ký hiệu Giới hạn giá trị đo Ý nghĩa dc _ ma x

U 800V Điện áp DC lớn nhất s _ ma x f 120Hz Tần số điện lớn nhất dc _ ma x

I 20A Biên độ dòng điện DC lớn nhất s _ ma x

I 20A Biên độ dòng điện pha lớn nhất s _ ma x

U 350V Biên độ điện áp pha lớn nhất

DSP sử dụng dấu phẩy tĩnh, cho phép xác định mức độ trượt vị trí dấu phẩy cần thiết sau khi chuẩn hóa để đảm bảo độ chính xác của thuật toán Việc điều chỉnh vị trí dấu phẩy được thực hiện thông qua thư viện toán học Iqmath().

Thuật toán xác định tăng hay giảm ∆f dựa trên các tín hiệu dòng điện và điện áp pin mặt trời

Chuẩn hóa với giá trị tần số lớn nhất fs _ ma x ta được: s max _ s max _ s m _ a x f (k) f (k 1) f f f f

4.2.2 Thuật toán U/f Đối với luật điều khiển U/f: s dm s s s

= f (4.5) Đối với luật điều khiển U/f 2 : s dm 2 s 2 s s

Chuẩn hóa với giá trị tần số lớn nhất fs _ ma x và giá trị điện áp pha lớn nhất us _ ma x

Chương 4 Xây dựng mô hình thực nghiệm Đối với luật U/f:

_ _ s dm s max s s s max s dm s max _ s_ m ax

_ s dm s max dsp dsp s s s dm s _ m ax

2 s dm s max dsp dsp 2 s s s max s d

Gián đoạn hóa theo công thức Backward Euler 1 z 1 s T

= ta được phương trình sai phân như sau:

Chuẩn hóa θ theo 2πta được:

Tri ển khai hệ thống

4.3.1 Vi điều khiển TMS320F28069 a) Giới thiệu vi điều khiển TMS320F28069

Vi điều khiển DSP TMS320F28069 là một sản phẩm 32 bit của dòng C2000 từ Texas Instruments, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện tử công suất và truyền động điện Với khả năng tính toán nhanh, vi điều khiển này đáp ứng tốt yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

Một số đặc điểm của vi điều khiển TMS28069:

- Tần số xung clock tối đa 90MHz

- Hỗ trợ tính toán dấu phẩy động

- Bộ nhớ Flash 256KB, bộ nhớ RAM 100KB

- Có 16 kênh ADC với độ phân giải 12 bit

- Hỗ trợ các chuẩn truyền thông SPI, UART, CAN, USB, I2C

- Có 54 chân GPIO có thể lập trình được

Cấu trúc phần cứng của DSP TMS320F2806x được xây dựa trên kiến trúc phần cứng Harvard architecture Đây là cấu trúc giúp tăng hiệu suất của thiết bị

CPU của DSP TMS320F28069 có khả năng thực hiện đồng thời phép nhân và phép cộng nhờ vào bộ nhân 32x32 bit và khối ALU, cho phép xử lý các phép toán logic và số học một cách hiệu quả Hơn nữa, CPU còn hỗ trợ tính toán dấu phẩy động, giúp làm việc trực tiếp với các số thực phẩy động.

Với dòng DSP, Texas Instruments cho phép người lập trình lập trình bằng ngôn ngữ

C hoặc Assembly là ngôn ngữ lập trình được sử dụng, trong đó hãng đã phát triển công cụ Code Composer Studio mạnh mẽ cho phép debug chương trình hiệu quả Bên cạnh đó, hãng cũng cung cấp các thư viện như “C28x Digital Motor Control” và “C28x Solar Library”, hỗ trợ đắc lực cho các bài toán điều khiển.

4.3.2 Chương trình trên vi điều khiển TMS320F28069

Hình 4.11 Tổng quan lưu đồ trên DSP TMS320F28069

Tổng quan chương trình trên DSP được thể hiện rõ trên hình 4.11

Nội dung chương trình trên DSP như sau:

Khối ADC thực hiện việc đọc các tín hiệu điện áp DC, dòng điện DC, dòng điện pha và nhiệt độ Quá trình kích hoạt ADC khởi động việc chuyển đổi tín hiệu SOCx từ Module PWM1 với chu kỳ trích mẫu tương ứng tần số phát xung 5kHz.

Khối PWM hoạt động với tần số phát xung 5kHZ, và hệ số điều chế cho từng kênh PWM sẽ được cập nhật sau mỗi chu kỳ, khi CPU hoàn thành thuật toán và cấu trúc điều khiển.

Khối CPU thực hiện thuật toán điều khiển trong chương trình ngắt ADC, đồng thời giao tiếp với các cổng DI để nhận dữ liệu từ cảm biến mức và thiết lập giao tiếp truyền thông CAN với dspic.

Các chế độ bảo vệ như quá dòng, quá áp, quá nhiệt và áp suất thấp được thiết lập, kèm theo cảnh báo bằng buzzer và thông báo lên Master qua giao thức truyền thông CAN.

Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán cài đặt cho DSP TMS320F28069

4.3.3 Giao diện điều khiển trên vi điều khiển dsPIC33FJ64GP802

Nhiệm vụ tạo ra hệ thống điều khiển, thu thập và giám sát tại hiện trường

Hình 4.13 Giao diện điều khiển mạch Master

Hình 4.14 Giao diện điều khiển trên màn hình GLCD

Như trên hình 4.14 giao diện gồm 4 phần chính:

- Setting: cài đặt các thông số, cấu hình gửi xuống DSP

- Datalog: hiện thị các giá trị điện áp, dòng điện, tần số trong những ngày biến tần hoạt động trước đó

- Restore System: Khôi phục hệ thống về cài đặt mặc định ban đầu

- About System: Thông tin về biến tần

Khi nhấn nút START, màn hình GLCD sẽ chuyển sang chế độ giám sát, đưa hệ thống vào chế độ Run Trong chế độ này, các thông số điện sẽ được theo dõi chặt chẽ.

- Motor: điện áp động cơ (tính từ thuật toán U/f), tần số cơ bản (đầu ra thuật toán MPPT), dòng điện hiệu dụng (tính từ 2 dòng pha)

- Photovoltaic: điện áp PV, dòng điện PV, công suất PV

- Frequency: Tần số đặt trong trường hợp không ghép nối với PV

Trong quá trình khởi động hoặc khi hoạt động, nếu xuất hiện lỗi, các tín hiệu báo lỗi từ DSP sẽ được gửi về dsPIC Các loại lỗi có thể xảy ra bao gồm: lỗi quá nhiệt, quá áp, quá tần số, thấp áp và thấp tần số.

Giao diện điều khiển trên GLCD hoạt động theo State machine (trạng thái máy) như hình 4.16

Hình 4.16 Statemachine trên màn hình GLCD

Hệ thống có 5 trạng thái hoạt động:

- Khởi tạo: Trạng thái này hoạt động ngay khi khởi động hoặc reset panel, trạng thái này sẽ lặp lại tới khi khởi tạo và kết nối thành công

- Trạng thái chờ (Menu): Sau khi khởi tạo thành công, GLCD sẽ chuyển sang chế độ này và chờ các nút nhấn để truy cập vào từng menu

- Trạng thái cài đặt: Truy cập vào menu “Setting” cài đặt các tham số và truyền xuống DSP

- Trạng thái Run (Monitoring): Sau khi nhấn Start, hệ thống chạy chế độ Run và màn hình GLCD chuyển sang chế độ giám sát

- Trạng thái lỗi: bao gồm trạng thái lỗi xảy ra khi kiểm tra kết nối không thành công và các lỗi xảy ra trong quá trình chạy

4.3.4 Truyền thông trong hệ thống

Giao thức Controller Area Network (CAN) là một giải pháp giao tiếp nối tiếp hiệu quả cho các hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố, nổi bật với độ ổn định cao, tính bảo mật tốt và khả năng chống nhiễu xuất sắc.

- Gồm chuẩn CAN v2.0A (11bit ID) và v2.0 B (29bit ID)

- Là chuẩn truyền thông 2 dây, không cần xung đồng bộ để truyền nhận

- Tốc độ cao, có thể lên tới 1Mbps (

Tiêu đề	Thiết Kế Bộ Biến Đổi Cho Hệ Truyền Động Máy Bơm Sử Dụng Nguồn Cấp Pin Năng Lượng Mặt Trời
Tác giả	Vũ Đình Việt
Người hướng dẫn	TS. Vũ Hoàng Phương
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự động hóa
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	2,66 MB