Đồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời

Đồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trờiĐồ án tốt nghiệp: Bộ biến đổi nguồn DC AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-AC MỘT PHA BẬC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SVTH : TRỊNH VĂN THẮNG 15142107 LÊ NGUYỄN TRƯỜNG AN 15142001 Khóa : 2015 Ngành : ĐIỆN-ĐIỆN TỬ GVHD : TS NGUYỄN NHÂN BỔN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 LỜI CẢM ƠN Trước hết, chúng em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Nhân Bổn tận tình bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm để em thực Đồ án Chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất Thầy, Cô Khoa Điện – Điện Tử tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền đạt kiến thức, cung cấp tài liệu, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt Đồ án Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em có thời gian để hoàn thành Đồ án Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 Sinh viên thực Trịnh Vắn Thắng & Lê Nguyễn Trường An iv TÓM TẮT Đồ án “Bộ nghịch lưu pha bậc sử dụng lượng mặt trời” hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu sau:  Tìm hiểu pin lượng mặt trời  Tìm hiểu sử dụng ứng dụng Matlap để mơ điều khiển  Phân tích cấu trúc nghịch lưu bậc Đánh giá ưu nhược điểm chúng chọn phương pháp thực hợp lý Kết nghiên cứu:  Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab mơ dạng sóng điện áp ngõ tải  Phù hợp để điều khiển tải vừa nhẹ công nghiệp, chi phí nhỏ điều khiển tải nhẹ với độ ổn định cao có sử dụng lượng mặt trời  Mạch phần cứng hoàn chỉnh v MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA TRANG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC .vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix TÀI LIỆU THAM KHẢO x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích mục tiêu đề tài 1.3 Điểm đề tài 1.4 Ý nghĩa thực tiễn .2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu tổng quát 2.1.1 Giới thiệu hệ thống pin lượng mặt trời 2.1.2 Pin mặt trời 2.1.2.1 Khái niệm pin mặt trời .5 2.1.2.2 Cấu tạo pin lượng mặt trời .5 2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời 2.1.3 Bộ tích trữ điện (Acquy) .6 2.1.3.1 Khái niệm acquy 2.1.3.2 Cấu tạo acquy vi 2.1.3.3 Nguyên lý hoạt động acquy 2.2 Bộ nghịch lưu áp 2.2.1 Khái niệm nghịch lưu áp .8 2.2.2 Phân loại nghịch lưu áp 2.3 Các dạng cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc .9 2.3.1 Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 10 2.3.2 Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 12 2.2.4 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) .13 2.2.5 Nhận xét: 15 2.3 Cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade 15 2.3.1 Bộ nghịch lưu áp cầu pha 15 2.3.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade) 17 2.4 Tìm hiểu card DSP TMS320F28335 19 2.4.1 Giới thiệu Card DSP TMS320F28335 19 2.4.2 Cấu trúc phần cứng 23 2.4.3 Các khối module 26 2.4.3.1 Điều khiển nhớ truy cập trực tiếp (DMA) .26 2.5 Tóm tắt – tổng kết chương 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG 28 3.1 Mạch nguồn +15V -5V 28 3.1.1 Biến áp nguồn 28 3.1.2 Mạch nguồn ổn áp DC 29 3.2 Mạch kích 31 3.3 Mạch công suất IGBT 34 3.4 Mạch tăng áp DC/DC .37 3.5 Bộ điều khiển lượng mặt trời 38 3.6 Sơ đồ khối .39 vi 3.7 Mơ hình tồn hệ thống 40 CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM SỬ DỤNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .41 4.1 Phần mềm sử dụng 41 4.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 41 4.2.2 Các khối chức hỗ trợ Card F28335 45 4.2.3 Viết chương trình tes Card F28335 48 4.3 Chương trình điều khiển nghịc lửu pha bậc nhúng cho Card DSP .52 4.3.1 Chương trình điều chế xung Simulink 52 4.3.2 Cách lấy khối chương trình Silmulink 52 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THỰC TẾ VỚI TẢI ĐÈN VÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT THẤP .54 5.1 Kết mô Matlap 54 5.1.1 Các tham số mô 54 5.1.2 Mơ hình mơ Matlap 54 5.1.3 Kết mô 56 5.1.3.1 Không tải 56 5.1.3.2 Tải trở 56 5.1.3.3 Tải RL 56 5.1.3.4 Tải RL 57 5.2 Kết thực tế 57 5.2.1 Không tải .57 5.2.2 Tải đèn 57 5.2.3 Tải động .59 5.3 Nhật xét 59 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 6.1 Kết luận 60 6.2 Hướng phát triển 60 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor DSP: Digital Signal Processor BGT: Bipolar junction transistor TI: Texas Instruments PWM: Pulse Width Modulation GPIO: General Purpose Input Output ROM: Read-Only Memory CPU: Central Processing Unit UART: Universal Asynchronous Receiver / Transmitter DMA: Direct memory access vii DANH MỤC HÌNH ẢNH BIỂU ĐỒ Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hịa lưới Hình 2.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập Hình 2.4: Cấu tạo bên pin lượng mặt trời Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời Hình 2.6: Cấu tạo bên Acquy thơng thường Hình 2.7: Cấu trúc dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) Hình 2.8 Cấu trúc dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) Hình 2.9 Cấu trúc ghép tầng cascade pha thơng thường Hình 2.10 Bộ nghịch lưu áp pha Hình 2.11 Cấu trúc mạch nghịch lưu áp bậc dạng cascade Hình 2.12 Biểu diễn pha cascade inverter bậc Hình 2.13 Dạng sóng điện áp ngõ nghịch lưu cascade bậc Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngồi Chp TMS320F28335 Hình 2.15: Cấu tạo bên Chip TMS320F28335 Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế Card DSP TMS320F28335 gắn lên Kit C2000 Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc phần cứng F28335 Hình 2.19: Sơ đồ phân chia vùng chức F28335 Hình 2.20: Tổ chức vùng nhớ F258335 Hình 2.21: Địa vùng nhớ F28335 Hình 3.1 Mạch nguyên lý biến áp nguồn cung cấp Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC ổn áp 7815 7905 Hình 3.3 Mạch nguồn sau lắp ráp thực tế Hình 3.4 Mạch nguyên lý hoạt động cầu diode Hình 3.5 Điện áp sau lọc viii Hình 3.6 Sơ đồ mạch xung kích pha Hình 3.7 Mỗi cặp khóa cơng suất đối nghịch mạch kích (có cặp) Hình 3.8 Dịng điện nạp xả tụ Hình 3.9 Datasheet IGBT Hình 3.10 Mạch kích sau thi cơng Hình 3.11 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất Hình 3.12 Sơ đồ chân IGBT Bảng 3.13 Thơng số IGBT 25N120NTD Hình 3.14 Dạng sóng điện áp ngõ pha mơ Hình 3.15 Mạch cơng suất sau thi cơng Hình 3.16 chế độ hoạt động mạch boost Hình 3.17 Hình ảnh thực tế mạch boost Hình 3.18 Hình ảnh thực tế sạc Hình 3.19 Sơ đồ khối kết nối khối Hình 3.20 Hình ảnh thực tế mơ hình tồn hệ thống Hình 4.1 Giao diện Matlap 2017b Hình 4.2 Vào mục Get Hardware Support Packages Hình 4.3 Installed Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors Hình 4.4 Installed TI Delfino F2833X Hình 4.5 Installed TI controlSUITE, TI Code Composer Studio, TI C200Ware Hình 4.6 Tạo Simulink Hình 4.7 Chọn Library Browser Hình 4.8 Thư viện hỗ trợ Card F28335 Hình 4.9 Tạo Simulink tes Card Hình 4.10 Chọn Digital Output Hình 4.11 Chọn Constant viii Hình 4.12 Mơ hình tes F28335 Hình 4.13 Thơng số GPIO Ouput Hình 4.14 Cài đặt cấu hình Card F28335 Hình 4.15 Tes Led Card F28335 Hình 4.16 Chương trình điều khiển hồn chỉnh Simulink Hình 5.1 Mơ hình mơ Matlap Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý khối IGBT Hình 5.3 Sơ đồ khối tải thơng số cài đặt Hình 5.4 Dạng sóng ngõ khơng tải Hình 5.5 Dạng sóng ngõ tải trở Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải RL (L=100H) Hình 5.7 Dạng sóng ngõ tải RL (L=1000kH) Hình 5.5 Dạng sóng ngõ khơng tải thực tế Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải đèn thực tế Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải động thực tế viii Điều chỉnh thông số cho eCAP  Khối SPI RCV Nhận liệu từ cổng giao tiếp SCIRXD Cho phép DSP giao tiếp bất đồng với thiết bị khác theo chuẩn NRZ  Khối SCI XMT Xuất liệu qua cổng giao tiếp SCITXD.Cho phép DSP giao tiếp bất đồng với thiết bị khác theo chuẩn NRZ  Khối SPI XMT Xuất liệu (chỉ hỗ trợ kiểu 16 bit) từ cổng giao tiếp SPISOMOx SPISIMIx truyền dẫn chế độ phụ  Khối I2C RCV Điều chỉnh thông số modun I2C để nhận liệu từ I2C bus 47  Khối I2C XMT Điều chỉnh thông số modun I2C để xuất liệu từ I2C bus  Khối eCAN RCV Điều chỉnh thông số hộp thư eCAN để nhận thông báo từ cổng eCAN 4.2.3 Viết chương trình tes Card F28335  Vào thư viện Simulink  Blank Model Hình 4.9 Tạo Simulink tes Card  Vào Library Embedded Coder Support  C2833X  Digital Out 48 Hình 4.10 Chọn Digital Output  Chọn khối Constant Hình 4.11 Chọn Constant 49  Mơ hình tes card LED Hình 4.12 Mơ hình tes F28335  Thiết lập thơng số cho GPIO Output Hình 4.13 Thơng số GPIO Ouput 50  Cài đặt cấu hình Card F28335 Hình 4.14 Cài đặt cấu hình Card F28335  Nhúng Tes Led Card F28335 Hình 4.15 Tes Led Card F28335 51 4.3 Chương trình điều khiển nghịc lửu pha bậc nhúng cho Card DSP 4.3.1 Chương trình điều chế xung Simulink Hình 4.16 Chương trình điều khiển hoàn chỉnh Simulink 4.3.2 Cách lấy khối chương trình Silmulink  Khối Sine Ware - Ta vào DSP System Toolbox  Soures  Sine Ware  Kéo khối vào chương trình  Khối Constan - Ta vào Simulink  Soure  Constan  Kéo khối vào chương trình  Khối Sum - Ta vào Simulink Commonly Used Blocks Sum  Kéo khối vào chương trình  Khối Relational 52 - Ta vào Simulink Commonly Used Blocks  Relational Kéo khối vào chương trình  Khối GPIO DO - Ta vào Embedded Coder Support vào chương trình  C2833x  Digital Output  Kéo khối 4.4 Tóm tắt tổng két chương - Chương giúp hiểu rõ thành phần tham gia vào đồ án này: + Cách cài đặt sử dụng phần mềm Matlap 2017b để viết chương trình + Cách tes Card DSP F28335 sử dụng + Thiết kế chương trình điều khiển nghịch lưu pha bậc nạp cho Card DSP F28335 53 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THỰC TẾ VỚI TẢI ĐÈN VÀ ĐỘNG CƠ CƠNG SUẤT THẤP 5.1 Kết mơ Matlap 5.1.1 Các tham số mô - Các thông số mô phỏng: + Chỉ số điều chế m = + Sóng điều khiển có tần số 50Hz, sóng mang dạng PD tần số 5.000 Hz + Các nguồn DC có giá trị Vd = 100V + Tải RL có R = 100Ω, L = 100H 5.1.2 Mơ hình mơ Matlap Hình 5.1 Mơ hình mơ Matlap - Ngun lý hoạt động: Sóng sin mang tín hiệu điện áp điều khiển, với tín hiệu sóng mang điều chỉnh bớt hệ số điều chế Sự so sánh sóng điều khiển sóng mang tạo xung kích điều khiển khóa IGBT + Khối sóng sin: Tạo tín hiệu điện áp điều khiển + Khối m: Điều chỉnh hệ số điều chế + Khối Vc: Tạo tín hiệu sóng mang - Khối IGBT: Gồm IGBT gép nối theo cấu hình Cascade 54 Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý khối IGBT - Khối tải: Gồm tải R, L Hình 5.3 Sơ đồ khối tải thông số cài đặt 55 5.1.3 Kết mơ 5.1.3.1 Khơng tải Hình 5.4 Dạng sóng ngõ khơng tải 5.1.3.2 Tải trở Hình 5.5 Dạng sóng ngõ tải trở 5.1.3.3 Tải RL Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải RL (L=100H) 56 5.1.3.4 Tải RL Hình 5.7 Dạng sóng ngõ tải RL (L=1000kH) 5.2 Kết thực tế 5.2.1 Không tải Hình 5.5 Dạng sóng ngõ khơng tải thực tế V.DC (In) 77.8 77.8 V.AC (Out) 110.3 110.5 I (Out) 0 57 Bảng 5.1 Thông số thực tế không tải 5.2.2 Tải đèn - Thông số: + Điện áp: 220V + Cơng suất: 60W Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải đèn thực tế V.DC (In) 77.8 77.8 V.AC (Out) 108.2 109.1 I (Out) 0.2 Bảng 5.2 Thông số thực tế tải đèn 58 5.2.3 Tải động - Thông số: + Điện áp: 220V + Công suất: 200W Hình 5.6 Dạng sóng ngõ tải động thực tế V.DC (In) 77.8 77.8 V.AC (Out) 108.2 109.1 I (Out) 0.2 0.2 Bảng 5.3 Thông số thực tế tải động 5.3 Nhật xét - Từ kết mơ ta nhận xét sau: + Kết mơ thí nghiệm thực tế gần giống + Điện áp cho tải tốt, dạng sóng sin ngõ chuẩn + Dạng sóng ổn định, sài tốt cho tải động có cơng suất vừa nhỏ 59 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận - Đồ án tiến hành nghiên cứu hồn thành mơ hình nghịch lưu pha bậc sử dụng nguồn lượng mặt trời Dạng sóng gần sin Các kết đạt bao gồm: + Phân tích cấu tạo hiểu nguyên lý hệ thống pin lượng mặt trời + Phân tích cấu trúc nghịch lưu bậc Đánh giá ưu nhược điểm chúng chọn phương pháp thực hợp lý + Xây dựng mơ hình vật lý nghịch lưu pha bậc Mơ hình nghịch lưu thiết kế, chế tạo có tính ổn định áp dụng + Sử dụng lập chương trình điều khiển ứng dụng Matlap 2017b + Kết cho thực tế tương đối sát với kết mô phần mềm 6.2 Hướng phát triển - Kết nghiên cứu thực mô hình nghịch lưu pha bậc sử dụng tải pha tiếp tục phát triển mơ hình sử dụng cho tải pha - Kích thước mạch cịn lớn Có thể cải tạo cho mạch nhỏ gọn sử dụng linh kiện tốt hiệu - Chưa khai thác hết tính Card DSP Có thể sử dụng Card để thu nhập thông tin liệu điều khiển Nghiên cứu thêm tính Card - Thí nghiệm thực tế tải có cơng suất lớn hơn, với dòng điện cao 60 S K L 0 ... Nguyễn Trường An iv TÓM TẮT Đồ án ? ?Bộ nghịch lưu pha bậc sử dụng lượng mặt trời? ?? hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu sau:  Tìm hiểu pin lượng mặt trời  Tìm hiểu sử dụng ứng dụng Matlap để mơ điều khiển... thống pin lượng mặt trời 2.1.2 Pin mặt trời 2.1.2.1 Khái niệm pin mặt trời .5 2.1.2.2 Cấu tạo pin lượng mặt trời .5 2.1.2.3 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời ... .54 5. 1 Kết mô Matlap 54 5. 1.1 Các tham số mô 54 5. 1.2 Mơ hình mơ Matlap 54 5. 1.3 Kết mô 56 5. 1.3.1 Không tải 56 5. 1.3.2 Tải trở 56 5. 1.3.3