- 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 phía nhánh này được kích ngắt và sẽ ngắt điện.
Kết quả: Thực nghiệm cho thấy thời gian trễ khi qua mạch dead time là khoảng 2 µs. Các điện trở R28, R31 trên sơ đồ có chức năng hạn chế dòng kích qua cực cổng của IGBT và hạn chế dòng trùng dẫn 2 transistor của ghép nối quang TLP250. Giá trị các điện trở này được xác định dựa trên datasheet của IGBT. Do đó, R28, R31 ta có thể xác định giá trị điện trở của chúng là: R3 = R6 = 10 (Ω)
33
Hình 3.9 Datasheet IGBT
34
3.3. Mạch công suất IGBT
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt đó là MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực Gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng Transitor như trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
35 Điểm yếu của MOSFET là không có khả năng chịu dòng điện cao. Trong khi đó IGBT thích hợp với các ứng dụng ở tốc độ thấp và có khả năng chịu được dòng điện cao. Vì vậy tuỳ vào đặc điểm của ứng dụng mà có sự lựa chọn linh kiện phù hợp.
Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm mạch công suất: + Điện áp Vds của MOSFET hay Vce của IGBT phải lớn hơn Vdc. + Dòng điện qua linh kiện > Iđm của tải ở nhiệt độ hoạt động bình thường.
+ Chịu được tần số đóng ngắt cao.
Để an toàn có thể chọn IGBT có dòng cực đại lớn hơn 2 lần Imax và điện áp ngược cực đại phải lớn hơn 2 lần Vd. Vì vậy có thể chọn IGBT FGA25N120ANTD
có thông số như ở bảng 3.1 sau.
Bảng 3.13 Thông số IGBT 25N120NTD
Nguyên lý hoạt động của mạch công suất IGBT: Nguồn điện áp DC từ bình ắc quy sẽ là nguồn Vcc cung cấp cho các IGBT hoạt động. Các IGBT ghép tầng theo cấu trúc Cascade, các IGBT hoạt động theo xung kích đóng cắt theo giải thuật điều khiển để chuyển đổi điện áp DC sang điện áp xoay chiều AC theo sự vận hành của khối điề khiển trung tâm.
36
Hình 3.14 Dạng sóng điện áp ngõ ra của một pha trên mô phỏng
37
3.4. Mạch tăng áp DC/DC
Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Ở đây chúng ta sử dụng mạch boost để tăng điện áp DC từ ắc quy vào mạch công suất.
Hình 3.16 chế độ hoạt động của mạch boost
Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.
Khi khóa mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.
Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được
đóngvà phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.
38
3.5. Bộ điều khiển năng lượng mặt trời
Điện áp của tấm pin năng lượng mặt trời không ổn định. Nên chúng ta phải sử dụng bộ điều khiển sạc để đảm bảo điện áp khi sạc cũng như bảo vệ được bình ắc quy không gây giảm tuổi thọ bình.
Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời.
+ Bảo vệ bình: Khi đầy bình thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình, bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không hết bình.
+ Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. Vì đặc tính của tấm pin là điện áp không ổn định. Điện áp, dòng điện cao vào ban ngày và thấp vào ban đêm (do không đủ nắng). Vì vậy nhiệm vụ của bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên. Giúp tăng tuổi thọ cho tấm pin cũng như đảm bảo hiệu suất của tấm pin cao nhất.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp sạc Ắc-quy, như sạc ở chế độ thả nổi (Float), phương pháp này có giá thành rẽ, dể lắp đặt, nhưng có thời gian sạc dài và không có khả năng bảo vệ Ắc-quy tránh quá dòng cũng như quá áp.
39 Một phương pháp khác là sạc 3 giai đoạn nó có ưu điểm là thời gian sạc rất nhanh và các chức năng bảo vệ Ắc-quy đều được tích hợp, phương pháp này có rất nhiều ưu điểm nhưng mạch điều khiển khá phức tạp. Trong mô hình này, bộ sạc được thiết kế theo phương pháp tốt nhất, đó là phương pháp sạc Ắc-quy 3 giai đoạn, với tính chất sạc trong thời gian ngắn, tăng tuổi thọ Ắc-quy và có các chức năng chống quá dòng, quá áp.
Hình 3.18 Hình ảnh thực tế bộ sạc
3.6. Sơ đồ khối
40
3.7. Mô hình toàn hệ thống
41
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM SỬ DỤNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
4.1. Phần mềm sử dụng
Matlap 2017b
4.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm - Thực hiện các bước sau: - Thực hiện các bước sau:
+ B1: Cài đặt Matlap 2016b trở lên + B2: Giao diện Matlap 1017b
Hình 4.1 Giao diện Matlap 2017b
42
Hình 4.2 Vào mục Get Hardware Support Packages
+ B5: Chọn mục Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors Installed
Hình 4.3 Installed Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors
43
Hình 4.4 Installed TI Delfino F2833X
+ B7: Cài đặt TI controlSUITE
+ B8: Cài đặt TI Code Composer Studio + B9: Cài đặt TI C200Ware
Hình 4.5 Installed TI controlSUITE, TI Code Composer Studio, TI C200Ware
4.3. Kiểm tra sau khi cài đặt phần mềm 4.3.1 Kiểm tra kết nối với Card F28335
44
Hình 4.6 Tạo Simulink mới
- B2: Một bảng Simulink mới hiện ra Library Browser
Hình 4.7 Chọn Library Browser
45
Hình 4.8 Thư viện hỗ trợ Card F28335
4.2.2 Các khối chức năng hỗ trợ Card F28335
Khối GPIO DI
Khai báo các thông số cho ngõ vào của DSP như: số thứ tự chân và kiểu cài đặt.
Khối GPIO DO
Khai báo các thông số cho ngõ ra của DSP như: số thứ tự chân và kiểu cài đặt.
46 Khối chuyển đổi tương tự sang số,gồm 16 kênh(8A và 8B).Có thể thực hiện chuyển đổi cùng lúc hoặc lần lượt.Dữ liệu ra là số nhị phân 12 bit (4096)
Khối ePWM
Ngõ ra điều rộng xung.
Khối tạo Sw Interrupt Trigger
Sự kiện ngắt xảy ra khi giá trị ngõ vào lớn hơn giá trị đặt
Khối Watchdog
Dùng để điều khiển counter
Khối eQEP
Modun giao tiếp trực tiếp với encoder tuyến tính để xác định hướng quay,vị trí,tốc độ.
47 Điều chỉnh các thông số cho eCAP.
Khối SPI RCV
Nhận dữ liệu từ cổng giao tiếp SCIRXD. Cho phép DSP giao tiếp bất đồng bộ với thiết bị khác theo chuẩn NRZ.
Khối SCI XMT
Xuất dữ liệu qua cổng giao tiếp SCITXD.Cho phép DSP giao tiếp bất đồng bộ với thiết bị khác theo chuẩn NRZ.
Khối SPI XMT
Xuất dữ liệu (chỉ hỗ trợ kiểu 16 bit) từ cổng giao tiếp SPISOMOx và SPISIMIx khi truyền dẫn ở chế độ chính phụ.
Khối I2C RCV
48
Khối I2C XMT
Điều chỉnh các thông số của modun I2C để xuất dữ liệu từ I2C bus
Khối eCAN RCV
Điều chỉnh các thông số của 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
49
Hình 4.10 Chọn Digital Output
Chọn khối Constant
50
Mô hình tes card bằng LED
Hình 4.12 Mô hình tes F28335
Thiết lập thông số cho GPIO Output
51
Cài đặt cấu hình Card F28335
Hình 4.14 Cài đặt cấu hình Card F28335
Nhúng Tes Led trên Card F28335
52
4.3. Chương trình điều khiển nghịc lửu 1 pha 5 bậc nhúng cho Card DSP 4.3.1. Chương trình điều chế xung trên Simulink 4.3.1. Chương trình điều chế xung trên Simulink
Hình 4.16 Chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên Simulink
4.3.2 Cách lấy các khối trong chương trình trên Silmulink
Khối Sine Ware
- Ta vào DSP System Toolbox Soures Sine Ware Kéo khối vào chương trình chính
Khối Constan
- Ta vào Simulink Soure Constan Kéo khối vào chương trình chính
Khối Sum
- Ta vào Simulink Commonly Used Blocks Sum Kéo khối vào chương trình chính
53 - Ta vào Simulink Commonly Used Blocks Relational Kéo khối vào chương trình chính
Khối GPIO DO
- Ta vào Embedded Coder Support C2833x Digital Output Kéo khối vào chương trình chính
4.4. Tóm tắt tổng két chương 4
- Chương 4 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những thành phần tham gia vào đồ án này: + Cách cài đặt và sử dụng phần mềm Matlap 2017b để viết chương trình + Cách tes Card DSP F28335 khi sử dụng
+ Thiết kế được chương trình điều khiển nghịch lưu một pha 5 bậc nạp cho Card DSP F28335
54
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ VỚI THỰC TẾ VỚI TẢI ĐÈN VÀ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT THẤP
5.1. Kết quả mô phỏng trên Matlap 5.1.1 Các tham số mô phỏng 5.1.1 Các tham số mô phỏng
- Các thông số trong mô phỏng: + Chỉ số điều chế m = 1
+ 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 Mô hình mô phỏng trên Matlap
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng trên Matlap
- Nguyên lý hoạt động: Sóng sin mang tín hiệu điện áp điều khiển, cùng với tín hiệu sóng mang được điều chỉnh bớt hệ số điều chế. Sự so sánh giữa sóng điều khiển và sóng mang tạo ra xung kích điều khiển các khóa IGBT.
+ Khối sóng sin: Tạo tín hiệu điện áp điều khiển + Khối m: Điều chỉnh hệ số điều chế