TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong ngành công nghiệp hiện nay, bộ nghịch lưu (Inverters) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện (UPS), hệ thống phân phối điện, xe điện và các hệ thống pin năng lượng mặt trời Do tính ứng dụng rộng rãi và thiết thực, việc nghiên cứu và tối ưu hóa bộ nghịch lưu trở thành yêu cầu cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, khắc phục những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống.
Điện áp xoay chiều đầu ra thường thấp hơn điện áp nguồn một chiều đầu vào, cho thấy rằng nghịch lưu truyền thống thực chất chỉ là một bộ nghịch lưu giảm áp.
Hai khóa đóng ngắt (IGBT) trên cùng một nhánh, như trong hình 1.1 T 1 và T 4, không được phép đóng cùng lúc Việc này có thể dẫn đến hiện tượng ngắn mạch nguồn áp một chiều, gây hư hỏng thiết bị và linh kiện.
Trong các ứng dụng yêu cầu bộ nghịch lưu phải tăng áp và giảm áp, việc thêm bộ chuyển đổi điện một chiều (DC-DC converter) trước bộ nghịch lưu là cần thiết Tuy nhiên, điều này dẫn đến việc có hai chặng chuyển đổi (DC-DC và DC-AC), làm tăng kích thước, chi phí và giảm hiệu suất của thiết bị chuyển đổi.
Hình 1.1: Bộ nghịch lưu ba pha truyền thống
Trong lĩnh vực năng lượng mới, năng lượng tái tạo, chẳng hạn như pin mặt trời (PV) và pin nhiên liệu, đóng vai trò quan trọng Các nguồn năng lượng này cung cấp điện với điện áp ngõ ra ổn định, góp phần vào sự phát triển bền vững và giảm thiểu tác động đến môi trường.
3 một chiều có giá trị điện áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian và môi trường làm việc
Để chuyển đổi năng lượng tái tạo thành điện xoay chiều 220V/380V, điện áp một chiều cần đạt trên 310 VDC Điều này yêu cầu mắc nối tiếp nhiều tấm pin điện áp thấp, dẫn đến việc cần sử dụng số lượng lớn pin và diện tích lắp đặt rộng Phương pháp này phù hợp với hệ thống công suất lớn Đối với hệ thống công suất nhỏ, người ta thường sử dụng máy biến áp tần số thấp để tăng điện áp xoay chiều đầu ra hoặc bộ tăng áp điện một chiều (DC-DC boost converter) để tạo ra điện xoay chiều từ nguồn điện áp thấp.
Khối nguồn DC Bộ nghịch lưu
Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số
Bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp giúp chuyển đổi điện áp từ các tấm pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu Các nguồn điện này được kết nối thành một dãy, tạo ra điện áp một chiều dao động từ 150 V đến 300 V, tùy thuộc vào điều kiện môi trường và làm việc Sau khi qua bộ nghịch lưu, điện áp này sẽ được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều.
Việc sử dụng máy biến áp 50 Hz để nâng mức điện áp 110 V theo yêu cầu của tải không mang lại hiệu quả cao Phương pháp này thường dẫn đến việc tăng kích thước thiết bị, tạo ra nhiều sóng hài và nhiễu, đồng thời có hiệu suất làm việc thấp và không ổn định, do đó ít được áp dụng trong thực tế.
Phương pháp thứ hai sử dụng bộ tăng áp DC-DC, như được minh họa trong Hình 1-3, đang trở nên phổ biến Mặc dù có nhiều ưu điểm, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.
Sử dụng hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm tăng kích thước, giảm hiệu suất toàn hệ thống
Tăng thêm các thiết bị điều khiển đóng ngắt (IGBT, MOSFET…) và mạch lái để điều khiển các thiết bị đóng ngắt này
Tăng thêm bộ tăng áp DC-DC sẽ làm tăng giá thành
Hình 1.3 minh họa sơ đồ hoạt động của bộ nghịch lưu truyền thống kết hợp với bộ tăng áp một chiều Sau khi được nâng cao qua bộ tăng áp, điện áp một chiều từ các dãy pin sẽ được duy trì ổn định ở mức 400V Điện áp này sau đó được cung cấp cho bộ nghịch lưu để chuyển đổi thành điện xoay chiều.
Khối nguồn DC Bộ tăng áp
Lý do chọn đề tài
Nhằm khắc phục những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài "Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp" Đề tài này dựa trên bài báo "Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC tăng áp bằng chuyển mạch LC", được công bố trên tạp chí IEEE vào năm 2016.
[1] Manoranjan, Student member (2016) - “A three level LC-Switching based Voltage boost NPC inverter” - DOI 10.1109/TIE.2016.2636120, IEEE
Có khả năng tăng áp Vdc đầu vào qua đó giảm số lượng pin hay ac-quy ngõ vào, qua đó giảm chi phí lắp đặt
Hiệu suất chuyển đổi cao do chỉ qua một chặng biến đổi từ DC-AC
Việc cho phép cả hai khóa bán dẫn hoạt động đồng thời trên cùng một nhánh giúp loại bỏ thời gian chết trong quá trình chuyển mạch Điều này dẫn đến việc giảm thiểu độ méo dạng của điện áp ngõ ra (THD).
Giảm điện áp ngõ vào, đồng thời giúp giảm điện áp đặt lên IGBT
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng được chú trọng, các mô hình nghịch lưu trước đây không còn đáp ứng đủ yêu cầu Nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu để giảm chi phí lắp đặt và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng tái tạo đang được quan tâm hơn bao giờ hết Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z được giới thiệu, cho phép tăng điện áp DC đầu vào và nâng cao điện áp AC đầu ra chỉ qua một lần biến đổi, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này Đến nay, nhiều cấu hình cải tiến như Novel Z-source và Quasi Z-source đã được công bố, tiếp tục phát triển từ mô hình nghịch lưu nguồn Z.
In 2015, the IEEE published an article titled "Space-Vector-Modulated Method for Boosting and Neutral Voltage Balancing in Z-Source Three Level T-Type Inverter," introducing an innovative approach for T-type inverter configurations combined with Z-source systems.
Vào năm 2016, tổ chức IEEE đã công bố bài báo “A three level LC-Switching Based Voltage Boost NPC Inverter”, nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC diode kẹp với công nghệ tăng áp thông qua chuyển mạch LC.
Hiện nay, nghiên cứu về các bộ nghịch lưu đang phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên, nghịch lưu hình T với các cấu hình tăng áp vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và có thể chưa được công bố rộng rãi.
1.3.2 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 đang tiến hành nghiên cứu tại phòng "Thực nghiệm Điện tử công suất nâng cao" - D405 Phòng thực nghiệm này tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các cấu hình cũng như các giải thuật liên quan đến nghịch lưu hình T tăng áp.
Mục tiêu thực hiện đề tài
Mục tiêu của đề tài mà nhóm thực hiện hướng tới là:
Dựa trên cấu hình tham khảo từ bài báo, chúng tôi sẽ cải tiến từ nghịch lưu NPC truyền thống thành nghịch lưu hình T, nhằm giảm thiểu số lượng diode cần sử dụng.
- Giảm dung lượng cuộn cảm (L)
- Sử dụng một nguồn VDC
- Xây dựng mô hình chạy ổn định
- Đạt công suất khoảng 1000W so với 250W của bài báo.
Nội dung nghiên cứu
NỘI DUNG 1: Thu thập và nghiên cứu tài liệu về bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển
NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, tham khảo mô hình thực tế
NỘI DUNG 4: Xây dựng mô hình
NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm
NỘI DUNG 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án.
Giới hạn
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
Đề tài này còn mới mẻ, do đó tài liệu nghiên cứu hiện có khá hạn chế và chủ yếu mang tính tham khảo Hầu hết các tài liệu liên quan đều đến từ nước ngoài, vì vậy cần có thời gian để nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn.
Quy mô tương đối nhỏ, chỉ dùng cho hộ gia đình
Bộ nghịch lưu 3 pha chỉ có điện áp ngõ ra là 110VAC(RMS)
Các trang thiết bị gây ra sai số trong quá trình thực nghiệm.
Bố cục đồ án
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
Hệ thống lại những kiến thức nền cơ bản
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 bài 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 hiện đồ án tốt nghiệp.
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, phục vụ cho việc cung cấp năng lượng cho các tải xoay chiều.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có đặc tính là nguồn điện áp, trong khi nguồn cho bộ nghịch lưu dòng lại có tính chất là dòng điện Các bộ nghịch lưu này được phân loại thành bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng, tương ứng với các đặc điểm nguồn điện của chúng.
Khi nguồn điện đầu vào và đại lượng ngõ ra không tương đồng, 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 hoặc 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 Vì vậy, bộ nghịch lưu thường được trang bị các linh kiện đóng ngắt để điều khiển quá trình ngắt dòng điện một cách hiệu quả.
Trong các tình huống đặc biệt như mạch tải cộng hưởng và tải có tính chất dung kháng, 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 trường hợp này, linh kiện bán dẫn thích hợp để sử dụng là thyristor (SCR).
Bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều đầu ra Nguồn điện một chiều có thể là acquy, pin điện hoặc là điện áp xoay chiều đã được chỉnh lưu và lọc phẳng để đảm bảo tính ổn định.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu hoạt động như công tắc, có khả năng kích đóng hoặc ngắt dòng điện Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, transistor BJT, MOSFET và IGBT thường được sử dụng, trong khi các ứng dụng công suất lớn có thể áp dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch Hệ thống phát điện tái tạo tạo ra các nguồn điện sơ cấp khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện làm việc và yêu cầu vận hành.
Có 9 thiết bị biến đổi điện tử công suất cho phép truyền tải thông qua các phần tử phi tiếp điểm có khả năng điều khiển Những thiết bị này có thể được kết nối với lưới điện hoặc tải một cách hiệu quả.
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 thể hiện trong hình 2.1, là mạch nghịch lưu hiệu quả cao, thường được áp dụng trong bộ nghịch lưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Nghịch lưu đa bậc hình T có hiệu suất vượt trội hơn so với các bộ nghịch lưu truyền thống, đồng thời sử dụng ít linh kiện đóng ngắt hơn Điều này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao 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
+ Sa2 hoặc Sa3 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng 0
+ Sa4 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
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 quan trọng là cần có tụ điện dung lượng lớn ở đầu vào Điện áp đầu ra của nghịch lưu áp 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 là công nghệ quan trọng trong các ứng dụng công suất lớn, yêu cầu đầu vào có điện cảm lớn và bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện ổn định Điện áp ra của nguồn dòng thường 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 đồng bộ và nguồn năng lượng đồng bộ chỉ thực hiện chức năng tăng áp hoặc giảm áp.
Hệ thống phát điện từ pin năng lượng mặt trời tạo ra nguồn điện DC với điện áp thấp, vì vậy cần một bộ nghịch lưu để chuyển đổi DC sang AC và tăng điện áp đầu ra cho phù hợp với các thiết bị gia đình, chung cư, nhà xưởng, hoặc để hòa vào lưới điện quốc gia Nghịch lưu hình T đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho các hệ thống phát điện phân tán như pin năng lượng mặt trời, fuel cell, và năng lượng 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 qua các khóa S0 và S1 Cuộn cảm L1 và L2 có giá trị bằng nhau để đảm bảo cân bằng điện áp trong quá trình chuyển mạch, tương tự như tụ C1 và C2 So với mạch nghịch lưu NPC truyền thống, mạch nghịch lưu hình T giúp giảm 6 Diode, mang lại hiệu quả cao hơn.
Đề tài nghiên cứu cấu trúc nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC, nhằm ứng dụng cho hệ thống 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 2.4
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: không, không ngắn mạch và ngắn mạch Để đảm bảo dòng điện qua cuộn cảm luôn liên tục trong trường hợp ngắn mạch và không ngắn mạch, giá trị cuộn cảm cần đủ lớn Nếu cuộn cảm quá 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 dựa trên công suất yêu cầu của phụ tải, nhằm đảm bảo độ đập mạch và điện áp cho phép của mạch nghịch lưu.
Xét trường hợp ngắn mạch
Trong trường hợp ngắn mạch một pha, có thể xảy ra ngắn mạch tại một hoặc hai nhánh của mạch nghịch lưu hình T, như trong ví dụ hình 2.5 với ngắn mạch hai khóa Sa1 và Sa4 của pha A Khi ngắn mạch xảy ra, các cuộn cảm sẽ nạp điện áp từ tụ điện và nguồn DC, trong khi dòng điện tải đầu ra cho tải trở cảm sẽ được duy trì qua hệ thống Diode của các IGBT S0, S1, Sa1 và Sa4 Tuy nhiên, trong tình huống ngắn mạch, điện áp đầu ra sẽ giảm xuống còn 0 do mạch nghịch lưu đã bị ngắn mạch đầu vào.
14 Điện áp đặt trên cuộn cảm trong trường hợp ngắn mạch là:
2V L V DC 2V C (3) Dòng điện trên các phần tử trong mạch ở trường hợp ngắn mạch là:
Xét trường hợp không ngắn mạch:
Trong trường hợp không xảy ra hiện tượng ngắn mạch, cuộn cảm sẽ nạp và xả năng lượng qua mạch nghịch lưu để cung cấp điện cho phụ tải Lúc này, điện áp đầu ra sẽ có hai giá trị là + VDC và - VDC, phản ánh trạng thái hoạt động của hệ thống.
V out V DC /V DC (6) Điện áp đặt lên các phần tử trong trường hợp không ngắn mạch là:
Hình 2.9: Trạng thái - VDC ở trường hợp không ngắn mạch Dòng điện đặt lên các phần tử trong trạng thái không ngắn mạch là:
Hình 2.10: Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp "không"
Trong trường hợp "không", các khóa của mạch nghịch lưu sẽ ngắt, dẫn đến dòng điện tải đầu ra đối với tải trở cảm được duy trì liên tục qua hệ thống diode của các IGBT S0, S1, Sa1 và Sa4 Điện áp của mạch nghịch lưu trong trạng thái "không" sẽ được xác định.
Thời gian ngắn mạch D trong chu kỳ sóng mang của các khóa IGBT trong mạch nghịch lưu ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Thời gian không ngắn mạch của các khóa IGBT được tính bằng 1-D Do điện áp trung bình qua cuộn cảm trong một chu kỳ bằng 0, điều này cho thấy mạch hoạt động ổn định và hiệu quả.
(12) Gọi B là hệ số tăng áp của mạch nghịch lưu, ta có:
Gọi M là hệ số điều chế độ rộng xung, ta có:
Gọi G là độ lợi điện áp, ta có:
G M B Vậy điện áp trên tụ VC = 250VDC, áp đỉnh ngõ ra đạt VO = 175VAC
Phương pháp điều chế độ rộng xung
Điều chế độ rộng xung (PWM) hay Điều chế thời gian xung (PDM) là kỹ thuật điều chế dùng để mã hóa thông điệp thành tín hiệu xung Kỹ thuật này chủ yếu được áp dụng để điều khiển nguồn điện cho các thiết bị, đặc biệt là tải quán tính như động cơ Ngoài ra, PWM cũng là một trong hai thuật toán chính trong bộ sạc pin quang điện năng lượng mặt trời, bên cạnh thuật toán giám sát điểm công suất cực đại.
Tần số đóng cắt PWM cần phải cao hơn nhiều so với tần số ảnh hưởng đến tải để đảm bảo dạng sóng cung cấp cho tải được mịn màng nhất Ưu điểm nổi bật của PWM là tổn hao công suất trên các thiết bị chuyển mạch rất thấp, vì khi khóa chuyển mạch tắt, không có dòng điện đi qua, và khi bật, nguồn được cung cấp cho phụ tải mà không gây sụt áp đáng kể Tổn hao công suất gần như bằng không do điện áp và dòng điện trong cả hai trạng thái 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.
- 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 hoạt động của mạch mà không gây ra hư hại.
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 (sine)
Hình 2.12: Các xung kích cho mạch nghịch lưu
Giải thuật điều chế xung điều khiển cho các IGBT 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 sine lệch pha nhau 180 0 : (V(t) và –V(t)) với sóng mang tần số cao Vcar
Với 3 pha thì các bộ sóng sine (V(t) và –V(t)) này sẽ lệch pha nhau 120 0
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 và Vsl Biên độ của tín hiệu Vdc sẽ ảnh hưởng trực tiếp 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 bổ sung vào trạng thái zero trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, như minh họa trong hình 2.12 Điều này giúp duy trì sự cân bằng điện áp giữa các tụ điện.
Các xung ngắn mạch được cộng thêm vào các khóa trên cùng một nhánh để tạo ra trường hợp ngắn mạch
Việc ngắn mạch tín hiệu cổng 'S0' và 'S1' đến các thiết bị chuyển mạch trong mạng trung gian giúp tăng điện áp một chiều ngõ vào Tín hiệu 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 biến với tín hiệu sóng mang.
XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
• Sơ đồ khối hệ thống
• Trình bày hình ảnh chức năng của từng khối trong sơ đồ
• Trình bày chức năng những linh kiện sử dụng trong từng khối
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Mạch nghịch lưu hình T Mạch kích
Mạch FPGA Mạch nguồn công suất
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Computer: Nạp chương trình cho card DSP thông qua chương trình Code
Card DSP là thiết bị nhận chương trình từ máy tính và tạo ra xung ngõ ra cho mạch kích hoặc động Dạng xung này được xác định bởi chương trình đã được nhúng vào card DSP từ máy tính.
Mạch đệm: sử dụng FPGA để thực hiện các thuật toán logic
Mạch kích: nhận tín hiệu xung từ card DSP 3.3V chuyển thành 15V kích cho
Mạch nguồn kích và card DSP: Cung cấp nguồn cho cho mạch kích và card
Mạch nguồn công suất: Là nguồn chính cung cấp cho mạch nghịch lưu 3 bậc hình T, mạch này có điện áp ổn định Thường sử dụng như: bình acqui…
Mạch lọc tải 3 pha: Dùng lọc gai điện áp ngõ ra từ bộ nghịch lưu cung cấp cho tải
Tải 3 pha: Thường sử động cơ không đồng bộ 3 pha, thiết bị công nghiệp, thiết bị gia dụng trong gia đình …
3.2.3 Hình ảnh và chức năng các khối
3.2.3.1 Tổng quan về card sử lý tín hiệu số TMS320F28335 a Giới thiệu CARD DSP TMS320F28335
Họ F28335 là một phần của bộ điều khiển tín hiệu số TMS320C2000, cho phép người dùng phát triển phần mềm điều khiển hệ thống bằng ngôn ngữ C/C++ Với khả năng thực hiện các chức năng toán học DSP, thiết bị này có thể xử lý các nhiệm vụ điều khiển hệ thống mà thường được thực hiện bởi vi điều khiển Khả năng xử lý 32x32 bit giúp nó giải quyết các vấn đề số học với độ chính xác cao Ngoài ra, thiết bị còn có phản ứng ngắt nhanh chóng và tự động lưu trữ các hiện tượng vào thanh ghi, đảm bảo phục vụ các sự kiện không đồng bộ với độ trễ tối thiểu.
Bảo vệ 8 cấp trong xử lý liên hợp kết hợp với bộ nhớ truy cập giúp tăng tốc độ xử lý mà không cần sử dụng bộ nhớ tốc độ cao đắt tiền.
- Các đặc điểm cơ bản của F28335:
Công nghệ CMOS tĩnh hiệu suất cao Đạt đến 150MHz ( thời gian quét chu trình 6.67ns) Thiết kế điện áp lõi 1.9V/1.8V, I/O 3.3/5V
CPU 32 bit hiệu suất cao Theo tiêu chuẩn IEEE-750 Độ chính xác vận hành 16x16 và 32x32 bit Điều khiển vận hành kép 16x16 bit
Cấu trúc Harvard bus Đáp ứng và xử lý ngắt nhanh Kiểu bộ nhớ chương trình thống nhất Tương thích mã chương trình C/C++ và Assembly
Bộ điều khiển DMA sáu kênh (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM) Giao diện bên ngoài 16 bit hoặc 32 bit (XINTIF) Hơn 2Mx16 miền địa chỉ
Bộ nhớ trên chip: F28335/F28235 là 256Kx16 Flash, 34Kx16 SRAM 1Kx16 OTP ROM
Bộ nhớ ROM khởi động (8Kx16 )
Với phương thức phần mềm khởi động (via SCI, SPI, CAN, I2C, McBSP, XINTF, and Parallel I/O)
Bảng tính toán tiêu chuẩn
GPIO0 đến GPIO63 ( General_ Purpose IO) chân có thể kết nối đến 1 trong
Khóa ngắt ngoại vi mở rộng (PIE) chứa đựng tất cả 58 ngắt ngoại vi, 128 bit khóa an toàn
Khóa bảo vệ Flash/OTP/RAM ngăn cẳn việc ăn cắp chương trình Nâng cao khả năng điều khiển ngoại vi
Bài viết mô tả một hệ thống vi điều khiển với 18 ngõ ra PWM và 6 ngõ ra HRPWM có độ phân giải 150 ps Hệ thống này còn bao gồm 6 đầu vào thu nạp sự kiện, 2 giao diện mã hóa vuông góc, cùng với 8 bộ đếm thời gian 32 bit và 16 bit Ngoài ra, có ba bộ đếm thời gian CPU 32 bit, một cổng nối tiếp ngoại vi, 3 module SCI (UART), 2 module McBSP, một module SPI, một bus nhập dữ liệu tích hợp, cùng với 12 bit ADC và 16 kênh với tốc độ chuyển đổi 80 ns.
Bộ chuyển đổi đơn/đồng thời truy cập bên trong và bên ngoài
+ Có 88 chương trình đơn lẻ, dồn kênh GPIO Pins với bộ lọc tín hiệu vào + Hỗ trợ JTAG ranh giới quét
+ Các tính năng tiên tiến
Chức năng phân tích và điểm chuyển tiếp Tìm và khắc phục lỗi phần cứng trong thời gian thực
Hỗ trợ phát triển bao gồm:
+ Mã Composer Studio™ IDE DSP/BIOS™
Kỹ thuật số điều khiển động cơ và thư viện phần mềm điện kỹ thuật số
Các chế độ công suất thấp và tiết kiệm điện năng
Chế độ hỗ trợ IDLE, STANDBY, HALT
Các sơ đồ bộ nhớ Peripheral Frame 0, Peripheral Frame 1, Peripheral Frame 2 và Peripheral Frame 3 chỉ được sử dụng cho bộ nhớ dữ liệu Người dùng không thể truy cập vào các sơ đồ bộ nhớ này trong không gian chương trình.
+ Phạm vi bộ nhớ nhất định được EALLOW bảo vệ chống lại nhiễu sau khi cấu hình ghi
+ Địa chỉ từ 0x38 0080-0x38 0088 chứa đoạn chương trình kiểm tra kích thước ADC
Nếu eCAN không được áp dụng trong một ứng dụng, RAM có sẵn như LAM, MOTS, MOTO và mailbox RAM có thể được tận dụng như RAM đa năng nhờ vào module phát xung CAN.
24 b Đặc điểm thiết kế phần cứng
Hình 3.3: Phần cứng Card DSP TMS320F28335
Các chân 00 đến 11 là ePWM của 2 kênh A và B , chân 12 đến 17 là HRPWM, có 2 nhóm ADC kênh A và kênh B , còn lại là các GPIO
DSP TMS320F28335 sở hữu 88 chân GPIO (cổng vào/ra) có khả năng thao tác trực tiếp Trong số đó, các chân từ 00 đến 11 được định nghĩa mặc định là các ePWM, với 6 ngõ, mỗi ngõ bao gồm 2 kênh A và B.
Nhóm sẽ thực hiện thao tác trên các ePWM để tạo ra các xung, từ đó sử dụng các xung này để điều chế theo thuật toán mong muốn.
Thiết kế CPU Thiết kế CPU chia làm 4 phân vùng chức năng
Hình 3.4: Khối thiết kế CPU Card DSP TMS320F28335
Sơ đồ khối chức năng CPU F2833x
Hình 3.5: Sơ đồ khối chức năng Card DSP TMS320F28335
Là họ TMS320C2000 thuộc loại xử lý tín hiệu số 32 bit của hãng Texas Intrusments Ngôn ngữ lập trình từ cấp thấp đến cấp cao như asemly, C, C++, …
Cho phép phát triển tốt các thuật toán trên C, C++ và các thuật toán điều khiển tự động, điều khiển mờ
Xử lý tín hiệu điều khiển với độ phân giải cao và hiệu quả, đảm bảo ngắt nhanh và thực thi nhiều tín hiệu điều khiển với thời gian trễ tối thiểu Thực hiện các phép toán tốc độ cao mà không cần sử dụng bộ nhớ đắt tiền, mang lại hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Tổ chức bộ nhớ theo kiểu Harvard
Giống như nhiều thiết bị DSC khác, việc di chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và thiết bị ngoại vi diễn ra qua nhiều bus khác nhau, giúp thời gian đáp ứng nhanh và thời gian trễ thấp, từ đó nâng cao tốc độ xử lý Cấu trúc bộ nhớ của dòng C28xx bao gồm bus đọc và bus ghi dữ liệu, với 22 dòng địa chỉ và 32 dòng dữ liệu, cho phép bus dữ liệu hoạt động với độ rộng 32 Bit.
Bus ngoại vi cho phép các thiết bị kết nối với TI thông qua dòng DSC, tạo ra một bộ vi xử lý bus duy nhất Nó bao gồm nhiều bus được kết nối với nhau, đảm bảo tính đồng bộ và hiệu suất cao trong việc truyền tải dữ liệu.
Bài viết đề cập đến 16 dòng địa chỉ và 32 dòng dữ liệu cùng các tín hiệu điều khiển liên quan, với ba phiên bản khác nhau: phiên bản đầu tiên hỗ trợ 16 Bit, phiên bản thứ hai hỗ trợ cả 16 và 32 Bit, và phiên bản thứ ba cho phép truy cập DMA.
Các dòng vi xử lý 28333x và 2823x được sản xuất theo tiêu chuẩn IEEE 1149, cho phép hỗ trợ thời gian thực trong bộ nhớ Tính năng nổi bật của chúng là khả năng thay đổi trong khi khối vi xử lý vẫn đang hoạt động.
Gồm 20 đường địa chỉ và 32 đường dữ liệu và 3 đường chọn chip
Các card dòng 28335 và 28235 được trang bị bộ nhớ flash 256Kx16, được chia thành 8 vùng 32Kx16 Đặc biệt, địa chỉ từ 0x33FFF0 đến 0x33FFF5 được dành riêng cho các biến dữ liệu, không chứa mã chương trình.
Tất cả các card loại 2833x và 2823x đều có hai khối bộ nhớ truy cập riêng biệt, mỗi khối có dung lượng 1Kx16, tương tự như các khối bộ nhớ khác trên thiết bị 28xx Các khối M0, M1 cho phép lập trình viên thực hiện mã và lưu trữ biến dữ liệu Thiết bị C28xx sở hữu bộ nhớ thống nhất, giúp lập trình viên dễ dàng sử dụng các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C/C++.
THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
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
Mạch nguồn công suất của mô hình được cấp bởi Variac, giúp tăng dần điện áp một cách an toàn cho quá trình thực nghiệm và mạch nghịch lưu 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 được cung cấp cho mạch công suất.
Variac Máy biến áp Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha Bộ tụ lọc
Hình 4.1: Sơ đồ khối Module nguồn
Hình 4.2: Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha
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)
4.2.1.3 Thi công mạch công suất
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Hình 4.7: Sơ đồ mạch in mạch công suất
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 IGBT 40N120 40A – 1200V TO220 Tản nhiệt nhôm
4 DSE160-06A 6A TO220 Tản nhiệt nhôm
Bảng 4.1: Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
4.2.2.1 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 114VAC
- 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 trong khoảng điện áp ra nhỏ hơn 180VDC
4.2.2.2 Lắp ráp module mạch kích
- Bước 1: Dùng nguồn 12VDC cấp vào cho mạch sau đó dùng card DSP cấp tín hiệu ngõ vào
- Bước 2: Đo ngõ ra của mạch kích dạng sóng có tương tự như dạng sóng vào, và có biên độ 12V
- Mạch ra được 12V cấp cho mạch công suất
4.2.2.3 Lắp ráp module mạch công suất
Để tạo ra mạch in, đầu tiên hãy in thiết kế ra giấy Tiếp theo, sử dụng bàn là để ủi mạch in lên bề mặt board đồng Sau đó, dùng bút lông để kẻ lại những vết mực đã mất Cuối cùng, ngâm board mạch vào dung dịch nước pha với bột sắt 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 bo 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 như: mạch nguồn, mạch tăng áp LC, mạch công suất, mạch kích, FPGA, DSP, và module tải với điện trở 40Ω, cuộn cảm 3mH, cùng 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
Hình 4.8: Module khối nguồn 4.2.3.2 Mô hình mạch kích
4.2.3.3 Mô hình mạch công suất
Hình 4.10: Mô hình mạch công suất 4.2.3.3 Mô hình mạch công suất
Hình 4.11: Mô hình mạch tăng áp bằng LC
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 dưới của hệ thống được thiết kế để chứa module mạch nguồn, các biến áp, công tắc và aptomat, nhằm đảm bảo an toàn khi kết nối với nguồn điện và giấu kín các đường dây điện.
- Tầng phía trên là ngõ vào ra của mạch công suất, FPGA và card DSP
Tiến hành lắp ráp và kết nối các module hoàn thiện như mạch nguồn, mạch tăng áp LC, mạch công suất, mạch kích, FPGA, DSP và module tải với điện trở 40Ω, cuộn cảm 3mH và tụ lọc.
Sau khi kết nối xong, ta tiến hành kiểm tra thông mạch
4.3.2 Mô hình đã thi công
Hình 4.12: Mô hình hoàn chỉnh
Lập trình hệ thống
Tạo sóng sin: Sine(a) Sine(b) = Đảo Sine(a) Tạo sóng tam giác: Carr
Hình 4.13 Lưu đồ giải thuật cho tổng quát cho 1 pha
Lưu đồ giải thuật được sử dụng để tạo xung điều khiển cho các IGBT (Sa1-Sa2-Sa3-Sa4) ở pha A, và quy trình tương tự được áp dụng cho các pha B và C bằng cách dịch sóng sine lần lượt 120 độ.
Lập trình mô phỏng
Sơ đồ nguyên lý trên PSIM
Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên PSIM
Sơ đồ tạo xung kích trên PSIM
Hình 4.15: Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha
Hình 4.16: 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 khóa Sa1-Sa2-Sa3-Sa4
Hình 4.17: Xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3-Sa4
Các xung kích cho các IGBT trên pha B và C có hình dạng tương tự như hình 4.13, nhưng các xung trên pha B và C sẽ lệch 120 độ so với các xung kích trên pha A.
Sự lệch pha các xung kích được thể hiện trên hình 4.14 với điển hình là xung kích S1 của 3 pha A – B – C
Dạng sóng mô tả xung kích cho khóa Sa1 - Sb1 - Sc1
Hình 4.18: Xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1
Dạng sóng điện áp trên tải
Hình 4.19: Dạng sóng điện áp trên điện trở
Hình 4.20: Dạng sóng điện áp pha
Hình 4.21: Dạng sóng điện áp dây
Hình 4.22: Dạng sóng điện áp cực
Quy trình và hướng dẫn thao tác
Để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và có thể kiểm soát các lỗi hay thiếu sót trong quá trình thao tác, chúng ta nên thực hiện theo quy trình thí nghiệm cụ thể.
Bước 1: Nhúng chương trình từ CCS trên máy tính xuống DSP TMS320F28335 Bước 2: Nhúng chương trình từ Quartus trên máy tính xuống FPGA Cyclone II
Bước 3: Bật công tắc cấp nguồn cho cả DSP và FPGA hoạt động
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: Vặn Variac dần cho đến khi đạt giá trị áp DC mong muốn (100V)
Bước 7: Đo các thông số bằng Oscilloscope và ghi nhận kết quả
Quy trình thao tác được thể hiện qua hình 4.16
DSP FPGA Mạch điện tử công suất Nguồn DC
Hình 4.24: Quy trình và hướng dẫn thao tác
Ta thực thiện nhúng chương trình xuống DSP và FPGA sau đó cấp nguồn cho
2 thiết bị này và mạch kích 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 (100V) tiến hành đó các thông số
Khi điều chỉnh Variac đến giá trị mong muốn, cần nhanh chóng đo các thông số và sau đó đưa Variac trở về 0 Lặp lại quy trình này cho đến khi đo xong 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
Quá trình mô phỏng trên phần mềm PSIM và lập trình nhúng từ card DSP đã cho ra kết quả gần giống với mô phỏng Tuy nhiên, trong thực nghiệm, các linh kiện gặp phải tổn hao so với mạch mô phỏng.
Dạng sóng mô tả xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3-Sa4
Dạng sóng mô tả xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1
Hình 5.2: Xung các khoá Sa1-Sb1-Sc1 giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 5.1: Xung các khoá Sa1-Sa2-Sa3-Sa4 giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 5.4: Sóng áp dây và áp pha giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 5.5: Sóng áp dây và dòng điện giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 5.3: Sóng áp pha và áp trên tải giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 5.6: Tần số và THD của mạch
So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết
Thông số Lý thuyết Thực nghiệm Áp vào ( Vdc) 100V 100V Áp trên tụ (VC) 250V 230V Áp DC-link 500V 457V
Dòng điện(Irms) 3.09A 2.69A Áp tải(Vrms) 123V 110V
Bảng 5.2: So sánh thông số thực nghiệm và lý thuyết
Các phần tử và thông số của mạch Thông số Điện áp ngõ vào 100V
Tụ điện C2 2000àF Điện áp ngõ ra 110Vrms
Tần số sóng mang 5Khz Điện trở tải 40Ω
Bảng 5.1: Các phần tử và thông số của mạch
Với các kết quả thực nghiệm đo được ta có thể thấy:
Mô hình thực nghiệm được xây dựng đã chạy khá ổn định
Mặc dù thực nghiệm thường gặp tổn hao dẫn đến sai lệch giữa lý thuyết và thực tế, nhưng kết quả thực nghiệm vẫn tuân theo các quy tắc của mạch nghịch lưu và có thể được chấp nhận.
Các thông số đo được khá gần với lý thuyết và tuân theo nguyên lý hoạt động
Việc thay đổi các thông số có thể làm thay đổi kết quả ngõ ra.
So sánh kết quả thực nghiệm nhóm đồ án so với kết quả công bố IEEE
Thông số Thực nghiệm IEEE Nhóm đồ án Điện áp ngõ vào 48V 100V
Hệ số ngắn mạch (D) 0.4091 D.C 0.4 D.C Điện áp AC đầu ra 110V (RMS) - 50Hz 110V (RMS) - 50Hz
Tần số sóng mang 2.5kHz 5kHz
Tần số sóng điều chế 50Hz 50Hz Điện trở tải 160(Ω) 40(Ω)
Bảng 5.3:So sánh thông số nhóm thực nghiệm IEEE và nhóm đồ án
Với các kết quả như trên của đề tài được nhóm thực hiện đồ án ghi nhận, ta có thể thấy các ưu điểm:
Hệ số ngắn mạch nhỏ hơn
Giá trị cuộn cảm giảm đi một nửa
Công suất đạt được khoảng 900W lớn hơn khoảng 4 lần so với công bố thực nghiệm của bài báo được công bố bởi tổ chức IEEE
