3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống. Chức năng từng khối:
Khối tăng áp nguồn Z: lấy điện áp thấp từ pin năng lượng mặt trời nâng áp lên đến mức điện áp phù hợp.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Khối kích và cách ly: kích cho IGBT đóng mở theo điều biến độ rộng xung PWM từ khối điều khiển.
Khối cảm biến: nhận giá trị điện áp, dòng diện từ pin năng lượng mặt trời gửi cho khối điều khiển ESP8266 xử lý.
Khối điều khiển ESP8266: nhận giá trị từ khối cảm biến tiến hành điều chế độ rộng xung gửi cho khối kích và cách ly, đồng thời gửi giá trị nhận được từ khối cảm biến cho khối giám sát và khối hiển thị.
Khối hiển thị: nhận dữ liệu của khối điều khiển để hiển thị trên LCD.
Khối giám sát: nhận dữ liệu từ khối điều khiển và cập nhật lên app, sau đó lưu trữ trên Firebase.
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch
Pin năng lượng mặt trời
Dựa vào điều kiện để hòa đồng bộ hệ thống nối lưới nên ta có: - Điệp áp đầu ra trên tải: 𝑈𝑡ả𝑖 = 𝑈𝑑𝑐
- Tần số đóng cắt của mạch: f = 20 kHz.
Chọn pin năng lượng mặt trời 50W loại MONO Silic: - Công suất: 50 (Wp). - Điện áp hở mạch (Voc): 20V. - Điện áp hoạt động (Vmp):17.8V. - Dòng ngắn mạch (Isc): 2.75A. - Dòng hoạt động (Imp): 2.52A. - Kích Thước: 635 x 540 x 35mm.
- Nhiệt độ làm việc giới hạn: - 40℃ đến 80℃. Hệ thống sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời.
Tổng công suất của 2 pin năng lượng mặt trời là: Pout = 2*50 = 100 (W).
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hệ thống dùng 2 cảm biến đo điện áp và dòng điện ngõ vào và ngõ ra. Một cảm biến đo điện áp và dòng điện từ pin năng lượng mặt trời và một cảm biến đo điện áp ngõ ra của mạch tăng áp kiểu nguồn Z.
Sơ đồ mạch của cảm biến ngõ vào:
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến dòng INA219 ngõ vào.
Ở hình 3.2, cảm biến lấy nguồn từ ESP8266 để hoạt động, chân số 5 (Vin+) được kết nối với Vpin+ để đo điện áp từ pin năng lượng mặt trời. Chân số 6 (Vin-) kết nối với ngõ vào bộ tăng áp để đo dòng điện từ pin năng lượng mặt trời. Kết nối giữa cảm biến INA219 với ESP8266 như sau: chân số 1 kết nối với 3V3, chân số 2 kết nối với GND, chân số 3 kết nối với SCL và chân số 4 kết nối với SDA.
Sơ đồ mạch của cảm biến ngõ ra:
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến dòng INA219 ngõ ra.
Tại ngõ ra của bộ tăng áp có điện áp lớn, mà giới hạn đo của cảm biến hiện nay không thể đáp ứng được. Vì vậy, nhóm đã dùng hai điện trở mắc nối tiếp nhau và song song với ngõ ra của bộ tăng áp đó là điện trở 𝑅9 và 𝑅10. Dùng cảm biến INA219
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
đo điện áp rơi trên trở 𝑅9 sau đó suy ngược lại điện áp ngõ ra của bộ tăng áp nguồn Z qua công thức sau:
𝑈𝑅9 = 𝑈𝑡ă𝑛𝑔 á𝑝 𝑍 𝑥 𝑅9 𝑅9+ 𝑅10 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(3.1)
Điện áp cung cấp cho cảm biến: 3.3VDC. Độ phân giải: ADC 12 bit.
Độ phân giải của bộ điến đổi ADC là sự thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết quả của một thay đổi ở đầu vào số. Độ phân giải ADC phụ thuộc vào số bit, độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB (hay còn gọi là kích thước bậc thang – step size). Kích thước bậc thang là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị đầu vào số thay đổi từ bước này sang bước khác. ADC có N bit thì tổng số mức khác nhau sẽ là 2N và tổng số bậc sẽ là 2N – 1. Do đó độ phân giải bằng với tỷ số trong mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của ADC:
Đầu ra tương tự = K x đầu vào số. (3.2)
Với K: mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc. Như vậy ta có công thức độ phân giải như sau:
Độ phân giải = K = 𝐴𝑓𝑠 2𝑁 − 1
(3.3)
Với: 𝐴𝑓𝑠: đầu ra cực đại. N: là số bit.
Cảm biến dòng INA219 tích hợp bộ khuếch đại chính xác đo điện áp trên trở 0,1Ω với độ chính xác 1%. Vì chênh lệch đầu vào tối đa của bộ khuếch đại là ± 320mV, nên cảm biến có thể đo tới ± 3,2A. Với ADC 12 bit bên trong cảm biến, độ phân giải ở phạm vi ± 320mV được tính như sau:
Theo công thức (3.3), độ phân giải của cảm biến dòng INA219: Độ phân giải = K = 𝐴𝑓𝑠
2𝑁 − 1=
320𝑚𝑉
4095 ≈ 0,08𝑚𝑉. Suy ra, độ phân giải ở phạm vi ± 3,2A:
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Độ phân giải = K = 0,08𝑚𝑉
0,1Ω = 0.8𝑚𝐴.
b. Thiết kế khối điều khiển
Khối điều khiển ESP8266 được cấp nguồn 5V, ngõ ra kết nối với LCD, cảm biến dòng INA219. Ngoài ra còn kết nối với Opto TLP250 trong mạch kích để điều chế độ rộng xung PWM. Hệ thống sử dụng 2 ESP8266 dùng để điều khiển cho hai bộ tăng áp nguồn Z của 2 tấm pin năng lượng mặt trời. Sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển như hình 3.4:
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển ESP8266.
Khi có nguồn 5V đầu vào, LED1 sáng báo hiệu có nguồn đầu vào, ESP8266 bắt đầu nhận tín hiệu ngõ ra của cảm biến dòng và bắt đầu xử lý. Sau khi xử lý xong ESP8266 gửi dữ liệu ra LCD20X4 theo chuẩn I2C hiển thị dòng điện và điện áp đo được ở ngõ vào. Đồng thời ESP8266 xử lý điều chế độ rộng xung PWM và đưa ra chân 𝐷5 cấp cho mạch kích IGBT.
c. Thiết kế khối kích và cách ly
Khối kích và cách ly dùng Mornsun QA01 và Opto TLP250. Hệ thống sử dụng ba mạch kích và cách ly, một mạch kích cho IGBT_1, một mạch kích cho IGBT_2 và mạch còn lại kích cho IGBT_3 (mô phỏng ngắn mạch phía nghịch lưu). Mornsun sử dụng nguồn đầu vào là 15VDC.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Sơ đồ kết nối của khối kích và cách ly như hình 3.5:
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch kích và cách ly.
Khi có nguồn 15V vào, LED2 sáng báo hiệu có nguồn vào Mornsun, tụ 𝐶1 dùng để lọc nguồn vào. Điện áp đi qua Mornsun tạo ngõ ra ± 15V, hai tụ 𝐶2 và 𝐶3 dùng để giảm độ gợn sóng của điện áp ngõ ra Mornsun. Điện áp ngõ ra của Mornsun cấp nguồn cho cho hai tranzitor trong opto TLP250 hoạt động. Hai tranzitor này hoạt động ngược nhau, tranzitor 1 on thì tranzitor 2 off và ngược lại. Đầu vào của opto TLP250 là dạng xung PWM đã được điều chế bởi ESP8266 cấp vào hai đầu của led (chân 2, 3). Giữa hai cực G và E của IGBT có tụ ký sinh vì vậy cần thêm trở 𝑅2 để bảo vệ cho opto TLP250. Ngỏ ra của mạch kích đưa xung kích vào cực G của IGBT.
d. Thiết kế khối tăng áp nguồn Z
Thực tế, để hòa đồng bộ hệ thống hòa lưới ta có: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điệp áp đầu ra trên tải: 𝑈𝑡ả𝑖 = 𝑈𝑑𝑐 = 622 𝑉, với m = 0,5 (áp dụng theo công thức 2.50). Tần số đóng cắt của mạch: f = 20 kHz.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Tuy nhiên, đối với phạm vi đề tài mà nhóm nghiên cứu, chỉ sử dụng 1 tấm pin cho một bộ tăng áp nguồn Z nên điện áp ra nhỏ hơn so với thực tế.
Cụ thể: 𝑈𝑡ả𝑖 = 144 𝑉, m = 0,5.
Theo công thức (2.53), suy ra 𝑈𝑙ướ𝑖 = 36√2 = 50,91 𝑉. Giả sử, điện áp đầu vào của tấm pin đo được 𝑈𝑖𝑛 = 18 V. Điện áp ngắt xác định theo công thức (2.56):
𝑈𝑑 = 𝑚.√3
2 + 0,5 = 0,933𝑉. Theo công thức (2.57), điện áp điều khiển:
𝑢đ𝑘 = 𝑢𝑑−𝑚
𝐾 = 0,808𝑉. Với 𝐾 = 𝑈𝑙ướ𝑖.√2
𝑉𝑖𝑛 = 4.
Công suất đầu ra một tấm pin: 𝑃𝑡ả𝑖 = 50 (𝑊). Điện trở trên tải: 𝑅𝑡ả𝑖 =𝑈𝑡ả𝑖2
𝑃𝑡ả𝑖 =1442
50 = 415 (Ω). Chọn R = 410(Ω). Theo công thức (2.31), khoảng thời gian ∆𝑇𝑂𝑁:
∆𝑇𝑂𝑁 = 𝐷. 𝑇 = 4,04x10−5(𝑠) Theo công thức (2.32), khoảng thời gian ∆𝑇𝑂𝐹𝐹:
∆𝑇𝑂𝐹𝐹 = (1 − 𝐷). 𝑇 = 9,6𝑥10−6(𝑠)
Theo công thức (2.35), dòng điện ngỏ vào: 𝐼𝑖𝑛 = 𝐼𝐿 = 0,64 (𝐴). Theo công thức (2.38), ta có:
𝐿 ≥ 𝐿(𝑚𝑖𝑛) = (1 − 𝐷)
2. 𝑅𝑡ả𝑖. 𝐷𝑇
2 ≈ 0,3053(𝑚𝐻). Chọn cuộn cảm có giá trị L = 0,68 mH.
Theo công thức (2.33), dòng điện nhấp nhô (ripple) qua cuộn dây: 𝐼𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 = ∆𝐼𝐿 =𝑈𝑖𝑛
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Theo công thức (2.40), dòng điện nhấp nhô qua tụ điện: 𝐼𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 =𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒
𝑈𝑡ả𝑖 . Giả sử, dòng điện nhấp nhô qua tụ điện 𝐼𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 = 0,001 (𝐴), suy ra: 𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 = 0,144 𝑉.
Theo công thức (2.41), giá trị tụ điện được xác định: 𝐶 = 𝐷. 𝑈𝑡ả𝑖
𝑅𝑡ả𝑖. 𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒. 𝑓 ≈ 98,537 (𝜇𝐹). Chọn tụ điện có giá trị C = 100 (𝜇𝐹).
Lựa chọn thiết bị đóng cắt:
Dòng trung bình qua van: 𝐼𝑣 =𝑃𝑡ả𝑖
𝑈𝑖𝑛 =50 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
18= 2,78 (𝐴).
Như vậy ta sẽ chọn IGBT chịu được dòng 2,78A và điện áp chịu được là 144V. Sau khi tính toán và lựa chọn linh kiện, ta có mạch nguyên lý của khối tăng áp nguồn Z:
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý của khối tăng áp nguồn Z.
Hệ thống sử dụng 2 bộ tăng áp nguồn Z cho hai tấm pin năng lượng mặt trời. Để mô phỏng ngắn mạch phía nghịch lưu, nhóm sử dụng thêm con IGBT phía ngõ ra bộ tăng áp nguồn Z.
e. Thiết kế khối hiển thị
Khối hiển thị sử dụng LCD 20X4, giao tiếp theo chuẩn I2C (PCF8574). Hệ thống sử dụng hai LCD để hiển thị điện áp và dòng điện đầu ra của 2 tấm pin năng lượng mặt trời.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dùng LCD.
Lấy nguồn 3,3V của ESP8266 để cấp vào chân VDD của LCD, giao tiếp giữa LCD với PCF8574 (I2C) như sau: các chân điều khiển RS, R/W, EN kết nối lần lượt với IO0, IO1, IO2 của PCF8574, các chân dữ liệu từ D4 – D7 của LCD kết nối lần lượt với các chân từ IO4 – IO7 của PCF8574, chân SCL, SDA của PCF8574 kết nối với chân D1 và D2 của ESP8266.
f. Thiết kế khối nguồn
Bảng 3.1. Điện áp và dòng điện hoạt động của các linh kiện.
Tên linh kiện Điện áp làm việc Dòng điện làm việc tối đa
ESP8266 5V 170mA. LCD 3,3V 2.5mA Mornsun 15V 130mA Cảm biến dòng INA219 3,3V Opto TLP250 15V 11mA Theo bảng trên ta có:
- Nguồn 15V cấp cho Mornsun và Opto TLP250 hoạt động.
- Nguồn 5V cấp cho ESP8266. LCD và cảm biến dòng INA219 lấy nguồn 3,3V của ESP8266 để hoạt động.
- Dòng điện làm việc của nguồn 15V:
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
- Dòng điện làm việc của nguồn 5V:
I5V = 170mA + 2.5mA = 172.5mA.
Nguồn cấp cho hệ thống hoạt động dùng 2 bộ nguồn tổ ong 15V/3A và 5V/1A. Nguồn tổ ong hay còn gọi là nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi nguồn điện áp xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Sở dĩ nhóm lựa chọn nguồn xung vì giá thành rẻ, gọn, nhẹ, dễ tích hợp cho những thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất chuyển đổi cao.
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống.
Trên đây là sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Hệ thống dùng 2 tấm pin năng lượng mặt trời, đồng nghĩa với việc dùng 2 ESP8266, 2 LCD hiển thị, 2 cảm biến ngõ vào MCU 219 đo điện áp và dòng điện ngõ ra của pin, 2 cảm biến MCU 219 đo dòng điện ngõ ra của bộ tăng áp nguồn Z, 2 bộ tăng áp nguồn Z, 3 mạch kích kích đóng ngắt cho 3 IGBT (2 mạch kích cho 2 IGBT của bộ tăng áp nguồn Z và 1 mạch kích cho IGBT bên mô phỏng ngắn mạch) và 1 bộ mô phỏng ngắn mạch bên phía nghịch lưu.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG4.1.1 Thi công bo mạch 4.1.1 Thi công bo mạch
Hệ thống gồm có ba mạch thi công chính: mạch điều khiển, mạch kích và mạch tăng áp nguồn Z. Dưới đây là sơ đồ thi công mạch in của các mạch trên. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển:
Hình 4.1. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển.
Bảng 4.1. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Kit NodeMCU ESP8266 5V ESP8266 MCU Verson 1.0
2 LCD 20X4 3.3V LCD20X4A
3 Module I2C CONN-SIL4
4 Cảm biến dòng MCU-
219
3.2A INA219
5 Điện trở (R7) 330Ω RES40
6 LED 1 20mA LED
7 Jack DC 5V DC-JACK
8 Domino 2 Pin 10A/300V CONN-SIL2
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.2. Sơ đồ mạch in của mạch kích.
Bảng 4.2. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch kích.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Điện trở R1, R3, R5 330Ω RES60 2 R1_NGUỒN, R2_NGUỒN, R3_NGUỒN 1kΩ RES40 3 Tụ Mica C1, C2, C5, C7, C10, C11 10𝑛𝐹 CAP50M 4 Tụ hóa C3, C8, C12 100𝜇𝐹, 50𝑉 CAPPRD350W 5 Tụ Mica C4, C6, C9 100nF CAP70M
6 LED2, LED3, LED4 20mA LED
7 Mornsun QA01 15V IC_NGUỒN
8 TLP250 1.5A SW-DIP4
9 Domino 2 Pin 10A/300V CONN-SIL2
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.3. Sơ đồ mạch in của mạch nguồn Z.
Bảng 4.3. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch nguồn Z.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 IGBT FGA 25N120 JACK3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2 Cuộn cảm 0.68mH JACK1
3 Diode D1, D2 5A/1000V Diode30
4 Domino 2 Pin 10A/300V
5 Tụ hóa 100𝜇𝐹, 450𝑉 CAPPRD750W
4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.4. Module nguồn xung.
Tiến hành lắp module nguồn, hệ thống sử dụng hai module nguồn 15V và 5V.
b. Lắp ráp khối điều khiển
Hình 4.5. Khối điều khiển sau khi lắp ráp.
Sau khi hàn linh kiện cho khối điều khiển thì sản phẩm như hình 4.5. Khối điều khiển có ESP8266, hai cảm biến dòng MCU 219 và LCD hiển thị.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.6. Khối điều khiển sau khi lắp chân LCD lên.
c. Lắp ráp mạch kích
Hình 4.7. Mạch kích sau khi lắp ráp.
Ở hình 4.7, mạch trên gồm ba mạch kích kích đóng ngắt cho IGBT ở hai mạch tăng áp và một mạch mô phỏng ngắn mạch phía nghịch lưu.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.8. Bộ tăng áp nguồn Z sau khi lắp ráp.
Bộ tăng áp nguồn Z sau khi hàn xong linh kiện như hình 4.8. Bộ tăng áp gồm có 1 domino ngỏ vào từ pin năng lượng mặt trời, 1 domino ngỏ ra tải, 2 diode, 1 tụ điện 100𝜇𝐹, 1 IGBT và 1 cuộn cảm 0,68mH.
4.2 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Đề tài thiết kế và thi công bộ điều khiển giám sát DC link dùng hai tấm pin năng lượng mặt trời cho hai phân khu của một xí nghiệp. Bộ điều khiển giám sát DC link được lắp dưới tấm pin năng lượng mặt trời và lắp đặt trên mái. Vì vậy, nhóm đã thiết