Trong mô phỏng cho hai cấu hình inverter 4 khóa và inverter 6 khóa ta sử dụng thời gian lấy mẫu sao cho có thể quan sát được quá trình quá độ của từng hệ thống. Ở đây thời gian ta lấy mẫu là 4s, vì là khoảng thời gian để động cơ khởi động đến lúc ổn định. Trong từng trường hợp cần quan sát dạng xung ta sẽ lấy thời gian ít lại trong quá trình xác lập của mô hình mô phỏng.
4.25a. Thời gian mô phỏng từ 0s đến 4s
4.25b. Thời gian mô phỏng 0.5s
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 70
Thời gian xác lập dao động điện 2,4 giây tính khi ta khởi động động cơ. Giá trị dòng điện đo được ở hình 4.25.
- Trong thời gian quá độ: Imax =8.705A - Trong thời gian xác lập: IRMS = 3.112A
4.26a. Thời gian mô phỏng từ 0s đến 4s
4.26b. Thời gian mô phỏng từ 3s - 4s
Hình 4.25 Dòng điện đầu vào inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Thời gian xác lập dao động điện 1,2 giây tính khi ta khởi động động cơ. Giá trị dòng điện đo được ở hình 4.26:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 71
- Trong thời gian xác lập: IRMS = 2.175A
Thời gian xác lập của động cơ trong cấu hình inverter 6 khóa nhanh hơn so với cấu hình 4 khóa. Dòng trong mạch cấu hình inverter 4 khóa lớn hơn.
Hình 4.26 Điện áp vào động cơ cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz
Giá trị điện áp đo được ở hình 4.27: - Giá trị điện áp đỉnh: V = 280 V - Giá trị hiệu dung: V = 220 V
Giá trị điện áp đưa vào bộ chuyển đổi DC/AC là VDC=280V ta lấy đầu ra áp có biên độ đỉnh là 280V tương ứng với điện nguồn cấp, điện áp ra có biên độ và tần số như ta mong muốn đưa vào động cơ để xem kết quả mô phỏng.
Hình 4.27 Điện áp vào động cơ cấu hình inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Giá trị điện áp đo được ở hình 4.28: - Giá trị điện áp đỉnh: V = 280 V
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 72
- Giá trị hiệu dung: V = 186 V
Giá trị điện áp đưa vào bộ chuyển đổi DC/AC là VDC=280V ta lấy đầu ra áp có biên độ đỉnh là 280V tương ứng với điện nguồn cấp, điện áp ra có biên độ là 186V, không đủ cấp vào động cơ nếu ta xét điện áp đầu vào động cơ là 220 - 240V xoay chiều. Làm mô phỏng tương tự ta nâng điện áp VDC=330V thì áp ra VAC=220V Như vậy, nếu sau chương 4 việc chọn lựa cấu hình nào ta sẽ xem xét để điều chỉnh lại điện áp ngõ vào cho mạch DC/AC hoạt động đúng tại điện áp 220V xoay chiều. Các mô phỏng sau của cấu hình inverter 4 khóa sẽ chọn VDC lại để lấy tốc độ động cơ và dòng điện chạy trong các cuộn dây của động cơ.
Hình 4.28 Tốc độ động cơ của cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz
Tốc độ động cơ ở cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz khi xác lập là = 1238 vòng/phút.
Hình 4.29 Tốc độ động cơ của cấu hình inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Tốc độ động cơ ở cấu hình inverter 6 khóa tại tần số 50Hz khi xác lập là = 1200 vòng/phút.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 73
Về tốc độ quay động cơ ở hai trường hợp ta thấy tốc độ của động cơ ở cấu hình 4 khóa đáp ứng tốt hơn.
Hình 4.30 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ
của cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz
Giá trị dòng điện trung bình đo được: - Dòng điện cuộn chính: IRMS = 3.103A - Dòng điện cuộn phụ: IRMS = 0.839A
Hình 4. 31 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ
của cấu hình inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Giá trị dòng điện trung bình đo được ở hình 4.32: - Dòng điện cuộn chính: IRMS = 2.294A
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 74
So sánh kết quả dòng điện ở hình 4.31 và 4.32 , dòng điện đầu vào inverter 4 khóa có giá trị cao hơn, hình dạng sin chuẩn thì inverter 6 ra đồ thị đẹp hơn. Như vậy ở cấu hình inverter 6 khóa qua bộ điều khiển cho ra đặc tính tốt hơn.
4.6.2 Nhận xét
Xét về tốc độ quay của động cơ, cấu hình inverter 4 khóa và 6 khóa đều cho đáp ứng tốt, sóng ra tương đối đẹp. Ở đây cấu hình inverter 4 khóa cho tốc độ quay động cơ tốt hơn cấu hình inverter 6 khóa ở tần số 50Hz.
Về dòng điện chạy qua hai cuộn dây chính và phụ của động cơ, dễ dàng thấy được dạng sóng của cấu hình inverter 6 khóa ra hình sin chuẩn hơn cấu hình inverter 4 khóa.
Xét tổng thể hiệu năng, độ ổn định có thể nhận thấy sự ổn định ở cấu hình inverter 6 khóa, nhưng xét về mặt công suất sử dụng đầu ra cho máy nén thì gần như ngang nhau; tốc độ động cơ cấu hình inverter 4 khóa nhỉnh hơn cấu hình inverter 6 khóa. Mặt khác, cấu hình inverter 4 khóa về thao tác lắp ráp có phần đơn giản, không đòi hỏi nhiều về phần chuyên môn lắp đặt, trong khi việc tách hai cuộn dây riêng và lược bỏ tụ điện sẽ gây nhầm lẫn cho người lắp. Cho nên, về mặt điều khiển ta đề cao khả năng đáp ứng được hệ thống và việc sử dụng thuận tiện cho người sử dụng được đặt lên hàng đầu. Do vậy, cấu hình inverter 4 khóa có thể được xem xét để đưa vào sử dụng.
4.7 Kết luận
Ta đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ thống, ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp điều khiển hệ thống. Qua đó ta xác định được tần số động cơ phải nằm trong một khoảng điều khiển giới hạn, phương pháp ta chọn điều khiển động cơ là phương pháp điều khiển vô hướng V/f mạch nghịch lưu sử dụng mạch nghịch lưu áp một pha với phương pháp điều khiển SPWM.
Chương này ta đã tính toán chọn lựa được cấu hình cho mạch DC/AC dùng chỉnh lưu 4 khóa, tồn tại những khuyết điểm so với cấu hình inverter 6 khóa; tuy nhiên ở đây vấn đề ngay từ đầu chúng ta đặt ra với bài toán cung cấp nguồn điện cho hệ thống lạnh hoạt động cho người sử dụng nên việc dùng hệ thống lạnh có động cơ máy nén một pha được đưa ra ngoài đấu nối hai dây giúp đảm bảo dễ sử dụng và thay thế cho người dùng. Với việc sử dụng điều khiển cho động cơ không đồng bộ một pha với phương pháp SPWM trình bày mô hình mô phỏng lắp ghép hoàn thiện cho toàn hệ thống sẽ được giới thiệu ở chương kế tiếp.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 75
Chương 5
MÔ PHỎNG CẤU HÌNH TOÀN HỆ THỐNG
5.1 Mở đầu
Nội dung chương này ta sẽ đi vào mô phỏng hệ thống của ta từ pin mặt trời qua bộ DC/DC có kết hợp giải thuật MPPT sau đó qua bộ DC/AC có kết hợp xung điều khiển PWM đưa vào tải động cơ máy nén một pha. Kết quả mong muốn hệ thống làm việc được với điều kiện năng lượng thay đổi từ pin mặt trời, thông qua bộ MPPT chúng ta sẽ bắt được điểm công suất cực đại trong từng giai đoạn, mô phỏng ta ra được điểm công suất bám theo đáp ứng nhanh. Tính toán hiệu suất công suất đạt được của hệ thống.
Hình 5.1 Cấu hình toàn hệ thống lạnh dùng pin mặt trời
5.2 Mô phỏng hệ thống
Pin mặt trời công suất 5 tấm 250W cấp hệ thống qua bộ điều khiển năng lượng bao gồm bộ biến đổi DC/DC sử dụng mạch tăng áp Boost có giải thuật P&O để bắt điểm công suất cực đại khi ta thay đổi độ chiếu nắng hay thay đổi nhiệt độ vào pin quang điện. Tiếp theo, điện áp một chiều đưa ra sau bộ boost cấp vào bộ chuyển đổi DC/AC dùng phương pháp điều khiển V/f qua mạch inverter 4 khóa cấp nguồn vào máy nén một pha dùng động cơ không đồng bộ công suất 1110W.
Ta sẽ thực hiện mô phỏng với việc cho cường độ chiếu sáng thay đổi với nhiệt độ cố định và thực hiện mô phỏng ngược lại cho nhiệt độ thay đổi ta cho cường độ chiếu nắng cố định. Kết quả sau mô phỏng ta cần lấy là điện áp ngõ ra pin mặt trời, điện áp
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 76
ngõ ra bộ DC/DC, điện áp ngõ ra bộ AC/DC để quan sát bộ điều khiển năng lượng làm việc. Trong đó ta quan sát tỷ số chu kỳ D để xem thuật toán MPPT làm việc. Kết quả cần thu được là tốc độ động cơ thay đổi, cường độ dòng điện vào máy nén đạt được giá trị trong khoảng mong muốn đạt được của hệ thống. Ta tính hiệu suất đạt được so với công suất lớn nhất của pin tương ứng từng thời điểm của cường độ mặt trời và độ chiếu nắng. Đưa ra kết luận hệ thống có đạt hay không đạt điện áp, dòng điện vào máy nén hay không
5.2.1 Mô phỏng hệ thống khi ta thay đổi cường độ chiếu nắng
Với những lý thuyết và tính toán chọn cấu hình nay ta dùng Matlab/Simulink để tổng hợp toàn bộ hệ thống và đưa ra các thông số đạt được của hệ thống. Theo bảng 2.2 số liệu cường độ chiếu nắng trong các tháng trong năm ta có thể tham khảo để đưa ra khoảng chiếu nắng cho hệ thống cần khảo sát của ta. Cụ thể ta thay đổi cường độ chiếu nắng từ 700W/m2 xuống 500W/m2 rồi tăng lên để 600W/m2 xem hệ thống có đạt được tốc độ quay rotor, cường độ dòng điện vào cuộn chính và cuộn phụ, hiệu suất mong muốn hay không,
Mô hình mô phỏng toàn hệ thống như hình 5.1 ở đây ta cố định nhiệt độ chiếu nắng tại 25oC. Phụ tải R được thay thế bằng phụ tải động cơ không đồng bộ một pha dùng bộ DC/AC cấp nguồn.
Tất cả thông số ta sử dụng từ kết quả tính toán và đã mô phỏng ở nội dung chương 2, chương 3 và chương 4.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 77
Hình 5.3 Điện áp đầu ra pin quang điện mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
Giá trị điện áp hiệu dụng đo được ở hình 5.3, VPV=142V, ở đây ta thấy không có sự thay đổi về độ lớn khi ta thay đổi cường độ chiếu nắng. Điện áp ngõ ra pin quang điện giảm khi ta kết nối với hệ thống. Đáp ứng đúng lý thuyết.
Hình 5.4 Tỷ số chu kỳ D bộ MPPT mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
Giá trị tỷ số chu kỳ D đo được theo hình 5.4, dưới độ chiếu nắng khác nhau, chu kỳ D thay đổi theo để đáp ứng kịp bắt điểm công suất cực đại. Các giá trị trung bình D ở các giai đoạn chiếu nắng như sau:
- Tại cường độ chiếu nắng 700W/m2: D = 0.575 - Tại cường độ chiếu nắng 500W/m2: D = 0.3454 - Tại cường độ chiếu nắng 600W/m2: D = 0.445
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 78
Hình 5.5 Điện áp sau khi qua bộ DC/DC mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
Giá trị điện áp trung bình đo được trên hình 5.5: - Tại cường độ chiếu nắng 700W/m2: V = 352.9 V - Tại cường độ chiếu nắng 500W/m2: V = 235.1 V - Tại cường độ chiếu nắng 600W/m2: V = 269.3 V
Hình 5.6 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cố định nhiệt độ môi trường tại cường
độ nắng 700W/m2
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 79
Hình 5.7 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cố định nhiệt độ môi trường tại cường
độ nắng 500W/m2
Giá trị điện áp trung bình đo được trên hình 5.7: V = 185 V
Hình 5.8 Điện áp đầu ra bộ DC/AC mạch xét cố định nhiệt độ môi trường tại cường
độ nắng 600W/m2
Giá trị điện áp trung bình đo được trên hình 5.8: V = 212.5 V
Qua hình 5.6, 5.7 và 5.8 ta thấy bộ DC/AC làm việc hiệu quả kéo theo điện áp ngõ ra đáp ứng theo tức thời. Trong đó đạt giá trị tốt nhất tại thời điểm cường độ nắng 600W/m2
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 80
Hình 5.9 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xét cố định nhiệt độ môi trường tại
cường độ nắng 700W/m2
Giá trị dòng điện trung bình đo được ở hình 5.9: - Dòng điện cuộn chính: IRMS = 1.874 A
- Dòng điện cuộn phụ: IRMS = 1.366 A
Hình 5.10 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xét cố định nhiệt
độ môi trường tại cường độ nắng 500W/m2
Giá trị dòng điện trung bình đo được ở hình 5.10: - Dòng điện cuộn chính: IRMS = 3.779 A
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 81
Hình 5.11 Dòng điện cuộn chính và cuộn phụ mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
tại cường độ nắng 600W/m2
Giá trị dòng điện trung bình đo được ở hình 5.11: - Dòng điện cuộn chính: IRMS = 3.306 A
- Dòng điện cuộn phụ: IRMS = 0.7931 A
Hình 5.9, hình 5.10 và hình 5.11 thể hiện chế độ xác lập của dòng điện chạy trong dây dẫn chính và dây dẫn phụ của động cơ. Tại mỗi cường độ chiếu nắng cụ thể tương ứng với dòng và đồ thị vector dòng thay đổi theo, trong đó hình 5.10 và hình 5.11 có đặc tính làm việc tốt hơn lúc động cơ mới khởi động ở hình 5.9.
Hình 5.12 Tốc độ động cơ mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
Tốc độ quay đo được theo hình 5.12 dưới độ chiếu nắng khác nhau, tốc độ quay thay đổi theo ở các giai đoạn chiếu nắng như sau:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 82
- Tại cường độ chiếu nắng 700W/m2: = 1375 vòng/phút - Tại cường độ chiếu nắng 500W/m2: = 980 vòng/phút - Tại cường độ chiếu nắng 600W/m2: = 1204 vòng/phút
Hình 5.13 Công suất hệ thống mạch xét cố định nhiệt độ môi trường
Công suất hệ thống đo được ở hình 5.13
- Tại cường độ chiếu nắng 700W/m2 : P = 787 W, =98.1% - Tại cường độ chiếu nắng 500W/m2 : P = 572.1 W, =98.5% - Tại cường độ chiếu nắng 600W/m2 : P = 681.9 W, =98.3%
Như vậy, hiệu suất hệ thống đáp ứng rất tốt.
5.2.2 Mô phỏng hệ thống khi ta thay đổi nhiệt độ chiếu nắng
Mô hình mô phỏng toàn hệ thống như hình 5.1 ở đây ta cố định cường độ chiếu nắng tại 600W/m2, cho nhiệt độ đầu vào thay đổi từ 25oC lên 35 oC rồi xuống lại 30oC. Thông số mạch được sử dụng như mô phỏng 5.2.1.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 83
Giá trị điện áp đo được sau pin quang điện theo hình 5.14, dưới nhiệt độ chiếu nắng khác nhau, điện áp tấm pin thay đổi nhẹ theo nhiệt độ. Các giá trị trung bình điện áp ở các giai đoạn nhiệt độ như sau:
- Tại nhiệt độ chiếu nắng 25oC: V = 142.4 V - Tại nhiệt độ chiếu nắng 35oC: V = 135.5 V - Tại nhiệt độ chiếu nắng 30oC: V = 138 V
Ở đây ta thấy hệ thống đáp ứng khá nhanh khi ta thay đổi nhiệt độ chiếu nắng, trong đó ở 25oC có điện áp đưa ra cao nhất và giảm dần theo sự tăng nhiệt độ đầu vào.
Hình 5.15 Tỷ số chu kỳ D bộ MPPT mạch xét cố định cường độ chiếu nắng
Giá trị tỷ số chu kỳ D đo được theo hình 5.15. Khi hệ thống xác lập, giá trị tỷ số chu kỳ D gần như không đổi và có trị trung bình đo được D=0.439.