2.3.1. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha.
Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu (còn được gọi là bộ nghịch lưu áp dạng cầu H) chứa bốn công tắc là các transistor hoặc fet và bốn diode mắc đối song song với các công tắc để chống dòng điện chạy ngược dẫn đến hư hỏng các thiết bị.
Hình 2.10 Bộ nghịch lưu áp 1 pha
Hình trên mô tả một bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha. Trong đó, S1, S2, S3, S4 là các khóa đóng ngắt. Điện áp V là điện áp một chiều được cấp từ nguồn của acquy. Hình
16 trên mô tả một bộ nghịch lưu áp 1 pha. Trong đó Vdc là điện áp một chiều cấp từ nguồn riêng. S1, S2, S3, S4 là các khóa trong bộ nghịch lưu có tác dụng đóng mở để dẫn dòng điện từ nguồn một chiều (DC) chạy xuống tải. Cuộn dây và điện trở được kí hiệu cho tải được điều khiển ở ngõ ra của bộ nghịch lưu áp 1 pha.
Quy tắc kích đóng đối nghịch của các khóa có trong bộ nghịch lưu: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng đồng thời, tức là 2 công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trong trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả 2 cùng kích đóng gây ra hiện tượng trùng dẫn (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra.
Quy tắc kích đóng đối nghịch của cầu H: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng đồng thời, tại cùng một thời điểm ta chỉ có thể cho 2 công tắc chéo nhau cùng hoạt động. Mỗi 2 công tắc hoạt động tạo nên chiều quay của động cơ. Trạng thái cả 2 cùng kích đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép xảy ra.
Nếu biểu diễn trạng thái được kích đóng của linh kiện là 1 và trạng thái được kích ngắt là 0 thì ta có:
S1 + S4 = 1 S2 + S3 = 1
Với các mục đích của người sử dụng khác nhau, ta tính toán, thiết kế và chọn các khóa sao cho phù hợp nhất. Việc điều khiển đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu áp một pha, ta có thể thu được điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ nghịch lưu. Điện áp ở ngõ ra trên 2 điểm A, B của bộ nghịch lưu thay đổi giữa 3 trạng thái +Vdc, 0, -Vdc. Các khóa S1, S2, S3, S4 dẫn theo một quy luật nhất định. Ở bộ nghịch lưu áp 1 pha các khóa trên cùng một nhánh (S1, S4) và (S3, S2) không được dẫn cùng một lúc. Nếu các khóa này cùng dẫn sẽ có điện áp chạy từ nguồn điện xuống GND gây ra hiện tượng trùng dẫn.
Điện áp của bộ nghịch lưu được tạo ra như sau: khóa S1 và S2 đồng thời được kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = +Vdc, khóa S3 và S4 đồng thời kích đóng sẽ tạo ra điện áp VAB = -Vdc và khi các khóa (S1, S3) hoặc (S4, S2) được kích đóng sẽ tạo ra mức điện áp là 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp tạo được 3 mức điện áp là -Vdc,, 0, +Vdc.
Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha cũng có thể làm tăng điện áp ở ngõ ra để có thể điều khiển được tải xoay chiều với dòng lớn.
17
2.3.2. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade).
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng ghép tầng (cascade) như đã giới thiệu ở trên, có cấu tạo gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Một bộ nghịch lưu áp dạng cascade n bậc thì trên mỗi nhánh pha sẽ có (n-1)/2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp với nhau. Vì trong giới hạn đồ án có 5 bậc nên suy ra sẽ có 2 bộ nghịch lưu áp cầu một pha được ghép nối tiếp với nhau.
Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cacade: cấu tạo gồm 2 bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ghép nối tiếp với nhau như đã được nêu ở phía trên, mỗi bộ được cung cấp bởi 1 nguồn điện áp DC riêng biệt. Điện áp ngõ ra của mỗi bộ nghịch lưu áp cầu một pha có 3 bậc (-Vdc, 0, + Vdc), do đó điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu dạng cascade sẽ có 5 bậc tương ứng là: -2 Vdc, - Vdc, 0, + Vdc, +2 Vdc .
Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2,…,-n*Vd/2); n mức điện áp dƣơng (Vd/2, 2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0.
18 Hình trên mô tả cấu trúc mạch của bộ nghịch lưu áp 5 bậc 3 pha dạng cascade. Khi đó ở ngõ ra có thể điều khiển được tải xoay chiều ba pha (với A, B, C: kí hiệu các pha). Vdc1, Vdc2, Vdc3, Vdc4, Vdc5, Vdc6 là các nguồn DC riêng biệt.
Trạng thái đóng ngắt các công tắc trong 1 nhánh pha phải thỏa mãn điều kiện kích đóng đối nghịch:
S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1 S1AA + S4AA = 1; S2AA + S3AA = 1 S1BB + S4BB = 1; S2BB + S3BB = 1 S1CC + S4CC = 1; S2CC + S3CC = 1
Tùy theo trạng thái đóng ngắt, điện áp pha - tâm nguồn DC (phase - to pole voltage) của bộ nghịch lưu được tính theo công thức sau:
Vx out = Vxo = Vx 01 + Vx 02
Hình 2.12 Biểu diễn 1 pha của cascade inverter 5 bậc
Và tổng điện áp từ các pha đến tâm nguồn DC (common - mode voltage):
UNO =uA0+ uB0+ uC0 3
19
Hình 2.13 Dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc.
Hình trên mô tả dạng sóng điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu 5 bậc. Ở hình trên, ta có thể thấy rõ có 5 bậc điện áp được hình thành. Chúng có dạng sóng gần sin hơn, điện áp tăng 5 bậc giảm 5 bậc trong 1 chu kỳ.
2.4. Tìm hiểu về card DSP TMS320F28335. 2.4.1. Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335. 2.4.1. Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335.
Bộ DSP được lựa chọn là của hãng Texas Intrument (TI) mang số hiệu 320F28335 là thương hiệu uy tín, các khối lệnh được hỗ trợ trong Matlab khá đầy đủ, mang các đặc điểm cơ bản mà đa số các DSP khác đều có. Mô hình bộ nghịch lưu áp 1 pha 5 bậc được xây dựng theo phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng kỹ thuật so sánh giữa sóng tam giác và sóng sin mẫu để tạo ra xung kích cho các IGBT (hay còn gọi là phương pháp sin PWM). So với phương pháp điều chế sáu bước phương pháp này sẽ tận dụng được khả năng phát xung tần số cao của DSP, giúp cho dòng điện qua tải có dạng gần sin hơn. Giữa các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) như HPWM và SPWM thì phương pháp sin PWM có phần lý thuyết khá đơn giản, dễ hiểu, rất thích hợp cho việc nghiên cứu đề tài trong một khoảng thời gian hạn chế.
20
Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngoài của Chp TMS320F28335
21
Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời
Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế của Card DSP TMS320F28335 khi gắn lên Kit C2000
- 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 ...
- Thiết bị TMS320F28335 là vi điều khiển thuộc TMS320C28x/ DelfinoTM, ứng dụng đầy đủ nhất cho những nhu cầu điều khiển khác nhau. Thiết bị này tóm lược những đặc trưng quan trọng nhất.
Ứng dụng:
- Hệ thống hỗ trợ điều khiển được đề xuất. - Trong các chung cư tự động.
22 - Trong các nhà máy tự động.
- Theo dõi và điều khiển tòa nhà thông minh để tạo nên sự an toàn, hiệu năng và môi trường thú vị.
- Phương tiện có sử dụng điện. - Điều khiển động cơ.
- Phân phối công suất. - Kiểm tra và đo lường.
Đặc điểm của Vi điều khiển TMS320F2833x
Các tính năng:
- Được thiết kế theo công nghệ CMOS với các đặc tính:
+ Tần số hoạt động lên đến 150 MHz (thời gian điều chế 6.67 nS). + Lõi với mức điện áp 1.8/1.9V, thiết kế I/O với điện áp 3.3V.
- Chứa 6 kênh điều khiển DMA (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM).
- GPIO0 đến GPIO63 có thể được kết nối đến 1 trong 8 ngắt ngoài. - Có thể mở rộng đến 58 ngắt ngoài
- 32 Bit CPU (TMS320C28x)
- Thiết bị ngoại vi điều khiển tăng cường: + Lên đến 18 ngõ ra PWM.
+ Lên đến 6 ngõ ra HRPWM với giải quyết 150 pS MEP. - Bộ nhớ trên chip
- 256Kx16 flash ,34Kx16 SARAM - 1Kx16 ROM
- ROM khởi động (8Kx16)
- Với phần mềm khởi động các chuẩn truyền (SCI, SPI. ..) - Chuẩn toán học
23 - Có module watchdog timer.
- 3 Timer CPU 32-Bit. - Các chuẩn truyền
+ Có 3 module truyền SCI + Có 2 module truyền SPI
+ Có 2 module truyền chuẩn CAN + Có 1 bus truyền chuẩn I2C
- Có đầy đủ các chức năng giao tiếp UART, SPI, SCI và truyền thông eCAN,... - Điện áp AC của adapter: 5V - DSP có những điểm thuận lợi nhúng các giải thuật là chúng ta có thể viết các giải thuật này trên Matlab rồi nhúng các giải thuật này xuống card DSP.
2.4.2. Cấu trúc phần cứng.
Sơ đồ khối chức năng:
24
Sơ đồ phân chia vùng chức năng:
25
26
Hình 2.21: Địa chỉ của các vùng nhớ trong F28335
2.4.3. Các khối module cơ bản.
2.4.3.1. Điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp (DMA).
Mỗi CPU đều có module DMA 6 kênh riêng. Mô đun DMA cung cấp phương pháp phần cứng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi và / hoặc bộ nhớ mà không cần sự can thiệp từ CPU, do đó giải phóng băng thông cho các chức năng hệ thống khác. Ngoài ra, DMA có khả năng sắp xếp lại các dữ liệu trực tiếp khi nó được truyền tải cũng như dữ liệu "ping-pong" giữa các bộ đệm. Các tính năng này rất hữu ích cho cấu trúc dữ liệu vào các khối để tối ưu hóa chế độ CPU.
Các tính năng:
- 6 kênh với PIE ngắt độc lập. - Nguồn khởi động
- ePWM SOCA/SOCB. - ADC tuần tự 1 và 2.
- Mạch logic truyền và nhận McBSP-A và McBSP-B. - XINT1–7 và XINT13.
Dữ liệu nguồn.
- L4-L7 16K× 16 SARAM. - Tất cả các vùng XINTF. - Thanh ghi ePWM.
27
Module PWM tăng cường (ePWM).
- IC F28379 chứa tới 6 module ePWM (ePWM1, ePWM2, ePWM3, ePWM4, ePWM5, ePWM6)…
PWM độ phân giải cao (HRPWM).
- Các module HRPWM cung cấp PWM độ phân giải cao, tốt hơn đáng kể so với cách sử dụng phương pháp PWM kỹ thuật số. Những đặc điểm chính của module HRPWM là:
- Khả năng mở rộng độ phân giải thời gian được suy ra từ phương pháp kỹ thuật số PWM.
- HRPWM thường được sử dụng khi độ phận giải PWM giảm xuống dưới 9-10 bit. Điều này xảy ra ở PWM có tần số lớn hơn 200kHz khi sử dụng một CPU/hệ thống có xung đồng hồ 200MHz.
- Khả năng này có thể được sử dụng ở cả 2 chu kỳ hoạt động và phương pháp điều khiển làm lệch pha.
2.5. Tóm tắt – tổng kết chương 2.
- Chương 2 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những thành phần tham gia vào đồ án này: + Pin năng lượng mặt trời và bộ tích trữ điện (Acquy).
+ Bộ nghịch lưu áp cầu 5 bậc sử dụng cho tải 1 pha.
- Tìm hiểu về thiết bị điều khiển nghịch lưu là card DSP TMS320F28335 của hang TI (Texas Instrument) và những ứng dụng của nó trong đồ án này nói riêng và đời sống nói chung.
28
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG 3.1. Mạch nguồn +15V -5V
Module nguồn chỉnh lưu có chức năng chỉnh lưu nguồn xoay chiều cung cấp từ các máy biến áp, ra nguồn một chiều cung cấp cho mạch kích của các IGBT trong mạch cầu. Có hai cầu H vì vậy cần 8 mạch nguồn đôi (±) để cung cấp cho mạch kích của 8 IGBT. Các IGBT có điện áp xung kích cần +15Vdc và -5Vdc. Vì vậy, ta chọn mạch IC ổn áp 7815 và 7905.
3.1.1. Biến áp nguồn
Hình 3.1 Mạch nguyên lý biến áp nguồn cung cấp
Gồm một cuộn dây sơ cấp và các cặp nguồn đôi xoay chiều đối xứng 15V 0V 15V bên thứ cấp, các cặp nguồn thứ cấp này cách ly, độc lập.
Ngoài ra, máy biến áp còn có chức năng tạo cách ly giữa các linh kiện hàn trên bo mạch với nguồn 220 Vac. Nhờ có tính cách ly này, tạo an toàn cho người sử dụng.
29
3.1.2. Mạch nguồn ổn áp DC
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC ổn áp 7815 và 7905
Hình 3.3 Mạch nguồn sau khi lắp ráp thực tế
Chức năng từng linh kiện trong mạch nguồn:
Cầu diode: Chỉnh lưu nguồn đối xứng cuộn thứ cấp MBA biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều. Trong mỗi pha luôn có 2 diode hoạt động dẫn.
30
Hình 3.4 Mạch nguyên lý hoạt động cầu diode
Tụ hóa (C1, C3, C5, C7): Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhô, nếu không có tụ lọc thì điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạch điện tử, do đó trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu.
Hình 3.5 Điện áp sau khi lọc
IC ổn áp: Có chức năng ổn áp để tạo ra đường nguồn có mức đáp ứng đúng yêu cầu. Ở đây, ta dùng IC 7815 để ổn định điện áp dương IC 7815 từ 15VAC thành +15VDC và IC 7905 để ổn định điện áp âm 5VAC xuống -5VDC.
Ngoài ra, còn có các linh kiện sau:
+ Tụ C2, C6, C4 và C8 có chức năng là lọc nhiễu. + R1, R2 làm điện trở phân áp cho LED D1, D2. + LED D1, D2 đèn hiển thị.
31
3.2. Mạch kích
Hình 3.6 Sơ đồ mạch xung kích 1 pha
J3 : Ngõ vào xung kích từ Card DSP gồm 4 xung kích từ D0 đến D3 (từ chân 4 đến số 1). IC 74HC245 là IC đệm, ngõ vào là các xung kích từ Card DSP và IC 74HC14, ngõ ra là 8 xung kích. Mạch kích cho mỗi cặp khóa công suất đối nghịch FGA25N120 được thiết kế như sau.
Hình 3.7 Mỗi cặp khóa công suất đối nghịch trong mạch kích (có 4 cặp)
Mạch tạo thời gian trễ để chống trùng dẫn cho các khóa IGBT, sẽ được thực hiện bằng phần cứng với các cổng đảo của vi mạch 74HC14 kết hợp các diode Zener D9, D10, các tụ điện C19, C21 và điện trở R27, R30.
32
Hình 3.8 Dòng điện nạp và xả tụ
Khi điện áp điều khiển tại đầu nối A0 thay đổi từ mức [0] qua mức [1], làm xuất hiện dòng nạp vào tụ C19 thông qua điện trở R1(Hình 3.8). Điện áp trên tụ C19 tăng dần. Khi điện áp trên tụ C19 tăng vượt qua ngưỡng mức logic cao tương ứng 3V sẽ làm thay đổi trạng thái ngõ ra IC74HC14 (của A0) xuống mức [0]. Kết quả là transistor của bộ cách ly quang TLP250 dẫn điện, làm cho IGBT ở nhánh này sẽ được kích dẫn và dẫn điện. Thời gian từ lúc có sự thay đổi trạng thái điện áp điều khiển đến khi IGBT này thay đổi trạng thái từ ngắt sang dẫn
Đồng thời điện áp điều khiển tại đầu nối A1 thay đổi từ mức [1] sang [0], điện áp tụ điện C21 sẽ được xả thông qua diode khi phân cực thuận diode (hình 3.8). Do đó điện áp trên tụ sẽ giảm dần từ 5V. Khi điện áp trên tụ C21 giảm đến ngưỡng mức logic thấp (là 0.8V) sẽ làm thay đổi trạng thái ngõ ra IC74HC14 (của A1) tăng lên mức [1]. Kết quả là transistor của bộ cách ly quang TLP250 ngắt điện, từ đó IGBT