Để kiểm chứng hoạt động của bộ nghịch lưu kép tăng áp cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha sáu dây thì kết quả mô phỏng được thực hiện trên tải RL, kết quả thực nghiệm được thực hiện trên tải RL và tải động cơ không đồng bộ ba pha sáu đầu dây công suất 1Hp (chạy không tải). Khi chạy với tải động cơ có quay lại video để thấy được quá trình điều khiển động cơ. Các thông số mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện theo bảng 4.3.
Bảng 4.3 Thông số sử dụng trong mô phỏng
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp ngõ vào (Vdc) 45-80 V
2 Tần số sóng mang (fcar) 20kHz
3 Tần số sóng tham chiếu (fref) 50Hz
4 Điện áp pha hiệu dụng ngõ ra (Vm rms) 78-110V
5 Chỉ số điều chế (M) 0.8 6 Tỷ số ngắn mạch (D) 0.2 7 Cuộn dây (L) 1mH 8 Tụ (C) 470µF 9 Rt 50Ω 10 Lt 50mH 11 Động cơ ba pha 1Hp
4.4.1 Sơ đồ mạch mô phỏng
Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm PSIM gồm có các thông số như trong bảng 4.3, các sơ đồ mạch cụ thể như sau:
Sơ đồ mạch nghịch lưu kép và tăng áp như hình 4.9
Hình 4.9 Sơ đồ mạch nghịch lưu kép và tăng áp
Hình 4.10 Sơ đồ mạch tải trong mô phỏng
Hình 4.11 Sơ đồ mạch kích pha a
Hình 4.11 mô tả mạch kích pha a, mạch kích cho pha b, c tương tự như pha a, chỉ khác sóng điều khiển pha b, c lệch pha so pha a là 120o, 240o tương ứng.
4.4.2 Kết quả mô phỏng
Hình 4.12 trình bày kết quả mô phỏng dạng xung điều khiển bốn khóa pha a sau khi đã kết hợp với xung ngắn mạch. Tính từ trên xuống dưới, ta có được các xung điều khiển của các khóa là S1a1, S1a2, S2a1, S2a2. Các xung này được phóng to tương ứng ở hình 4.13, cho ta thấy được tại thời điểm ngắn mạch thì cả bốn khóa cùng dẫn làm cho điện áp ngõ ra trên tải bằng không trong khoảng thời gian ngắn mạch là T0.
Từ giản đồ xung điều khiển pha a chúng ta thấy được các khóa S1a2, S2a1 giảm một nữa khi so sánh với đóng ngắt toàn chu kỳ của xung điều khiển. Việc giảm tần số đóng ngắt của các khóa có ý nghĩa rất quan trọng, giảm được tổn hao cho mạch và tăng tuổi thọ của linh kiện.
Hình 4.12 Kết quả mô phỏng dạng xung điều khiển bốn khóa pha a tính từ
trên xuống dưới: S1a1, S1a2, S2a1, S2a2
Hình 4.13 Kết quả mô phỏng dạng xung điều khiển bốn khóa pha a tính từ trên
xuống dưới: S1a1, S1a2, S2a1, S2a2 (phóng to)
Hình 4.14 trình bày kết quả mô phỏng của điện áp ngõ vào Vdc, điện áp trên tụ Vc, điện áp DC_Link Vpn. Khi điện áp ngõ vào Vdc = 45V thì điện áp trên tụ C Vc=112.8V theo lý thuyết ở công thức (3.6) thì điện áp Vc=112.5V, đây cũng chính là điện áp DC_Link Vpn khi không ngắn mạch theo công thức (3.7), Vpn là điện áp DC_link như kết quả mô phỏng ở hình 4.14 có biên độ đỉnh bằng Vc, như
vậy hệ số tăng áp của mạch theo mô phỏng là 2.506 và theo lý thuyết ở công thức (3.6) là 2.5, độ gợn sóng điện áp trên tụ C được trình bày ở hình 4.15 cho thấy điện áp trên tụ C có độ gợn sóng nhỏ (0.2V)
Hình 4.14 Từ trên xuống: điện áp ngõ vào (Vdc), điện áp DC_Link (Vpn), điện áp
trên tụ (Vc), dòng điện qua cuộn dây (IL)
Hình 4.15 Từ trên xuống: điện áp trên tụ (Vc), điện áp DC_Link (Vpn), được phóng
to
Hình 4.16 trình bày kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp ba pha trên tải RL với biên độ đỉnh là 112.8V, đây chính là điện áp Vpn được tính theo lý thuyết từ
công thức (6) và (7) phù hợp với kết quả mô phỏng được phóng to ở hình 4.17 là biên độ điện áp pha a, b,c bằng với điện áp Vpn, tùy theo thời điểm mà điện áp ba pha trên tải mang dấu dương hay âm.
Hình 4.16 Dạng sóng điện áp ba pha trên tải RL.
Hình 4.18 trình bày kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp ba pha đo trên tải trên tải R với biên độ đỉnh là 80V, chính là điện áp Vm tính theo lý thuyết từ công thức (3.8) khi M=0,7 và Vpn =112.5 là 78.75V. Như vậy, sai số giữa lý thuyết và mô phỏng là 0.7%. Các dạng sóng này có chỉ số THD như ở hình 4.19 lần lược là 1.01%; 0.75%; 0.88% cho pha a, b, c tương ứng phù hợp với chỉ số THD cho phép là nhỏ hơn 5%.
Hình 4.17 Dạng sóng điện áp Vpn và điện áp ba pha trên tải RL.
Hình 4.18 Dạng sóng điện áp ba pha trên tải R.
Hình 4.20 trình bày kết quả mô phỏng dạng sóng dòng điện ba pha trên tải RL có biên độ đỉnh là 1.6A và chỉ số THD được trình bày ở hình 4.13 là 1.36%; 1.16%; 1.25% tương ứng cho pha a, b, c, các chỉ số này phù hợp với tiêu chuẩn cho phép.
Hình 4.19 Chỉ số THD điện áp ba pha trên tải R
Hình 4.20 Dạng sóng dòng điện ba pha trên tải RL.
4.4.3 Mô hình thực nghiệm
Mạch thực nghiệm cấu hình đề xuất được thực hiện theo sơ đồ khối ở hình 4.22 và mô hình thực nghiệm thực tế ở hình 4.23.
➢ Card DSP TMS320F28335 có nhiệm vụ tạo xung điều khiển.
➢ Card FPGA có nhiệm vụ đảo xung (NOT) và ghép xung (OR).
➢ Mạch tăng áp gồm: một cuộn cảm L (1mH), một tụ điện C (470µF), hai
diode và một IGBT.
➢ Mạch nghịch lưu kép gồm 12 IGBT công suất.
➢ Mạch kích các IGBT (IGBTs driver).
➢ Tải RL và tải động cơ không đồng bộ ba pha 1HP
Hình 4.23 Mô hình thực nghiệm cấu hình đề xuất. 4.4.4 Kết luận
Kết quả dạng sóng ngõ ra đúng theo yêu cầu đặt ra ban đầu. Sai số dao động trong khoảng cho phép.
4.5 Lập trình và lưu đồ hệ thống
Lưu đồ giải thuật cả hệ thống
Bắt đầu Kết thúc Cảm biến điện áp Mạch Công Suất Cài đặt hệ thống Cấp nguồn cho mạch Cân bằng PID Tải Tạo cổng logic OR
Lưu đồ chương trình con cân bằng PID Đọc giá trị điện áp từ cảm biến Tính sai số Tính dp Tạo sóng sin Tạo sóng tam giác
Tính di Cân bằng PID
Khai báo biến Khởi tạo GPIO Khởi tạo PWM Đặt chỉ số điều chế A Đặt điện áp DC link Vref
Chọn thông số PID cho mạch (KP, KI, KD) Thiết lập giới hạn hệ số ngắn
S S S S Đ Đ Đ Đ di = di di < pid_max di = pid_max di = di out < pid_min Tính hệ số ngắn mạch out di = pid_min
out = pid_min out = out
out = pid_max di < pid_min out < pid_max 1 2 Kết thúc Kết quả out điều chế pwm được xung ngắn
Lưu đồ chương trình con cổng OR xung ngắn mạch
OR tín hiệu ngõ vào xung ngắn mạch và xung kích điều khiển các khóa
Pwm1, pwm2, pwm3, pwm4 từ ngõ ra DSP
Kết thúc Tạo cổng logic OR
Khai báo biến Khởi tạo GPIO
Dạng sóng xung kích của các khóa
Giải thích lưu đồ cả hệ thống
- Cài đặt phần cứng nối dây liên kết giữa các board mạch(kit dsp, fpga, mạch công suất…) và nạp code cho kit dsp và FPGA, kết nối que đo của oscilloscope vào DC link, ngõ ra, ngõ vào và dòng qua tải.
- Kiểm tra cảm biến điện áp chỉnh biến trở phù hợp. - Cấp điện áp vào để ngõ ra đạt 110v theo yêu cầu.
- Quan sát dạng sóng sau đó thay đổi tải từ 150Ω xuống 77Ω hoặc ngược lại. - Cảm biến điện áp đọc điện áp về, bộ xử lý PID nhận giá trị điện áp từ cảm biến xử lý cân bằng PID được hệ số ngắn mạch phù hợp để ổn định điện áp ngõ ra.
- PID có được hệ số ngắn mạch sẽ đưa qua điều chế xung ngắn mạch.
Tiếp theo FPGA nhận dữ liệu từ PID tạo cổng OR xung ngắn mạch với xung điều khiển sau đó được dạng xung kích đưa vào mạch công suất đóng ngắt và ngõ ra được cấp ra tải.
Giải thích lưu đồ PID
- Khai báo biến, chọn thông số (điện áp DC link, chỉ số điều chế, hệ số PID…). - Thiết lập giới hạn hệ số ngắn mạch pid_min và pid_max.
- Tạo sóng mang (sóng sin) tần số 50Hz - Tạo sóng tam giác tần số 10kHz
- So sánh sóng mang với sóng tam giác được xung điều khiển các khóa. Tiếp theo cảm biến đọc giá trị điện áp từ DC link sau đó tính sai số hệ thống:
Vref – feedback - Tính vi phân dp= KD*(old-err)/Ts
Giá trị di nằm trong khoảng giới hạn của hệ số ngắn mạch từ pid_min đến pid_max,nếu di lớn hơn pid_min thì di= KI*Ts*err+di ngược lại thì nhận giá trị pid_min, nếu di<pid_max thì nhận giá trị KI*Ts*err+di ngược lại nhận giá trị pid_max.
Thay vào phương trình tính được hệ số ngắn mạch out= KP*err+di+dp
Hệ số ngắn mạch out nằm trong khoảng từ pid_min đến pid_max, nếu out lớn hơn pid_min thì nhận giá trị out= KP*err+di+dp ngược lại thì nhận giá trị pid_min, nếu out<pid_max thì nhận giá trị out= KP*err+di+dp ngược lại nhận giá trị pid_max.
Qua cân bằng PID được hệ số ngắn mạch đưa vào điều chế PWM được xung ngắn mạch ngõ ra sau khi đượ điều chế PWM đưa tiếp vào FPGA.
Giải thích lưu đồ FPGA
- Khai báo biến thiết lập GIPO - Tạo cổng logic OR.
OR các tín hiệu ngõ vào từ chân PWM của DSP lấy xung ngắn mạch OR các xung điều khiển các khóa ta được xung điều khiển đóng ngắt các khóa.