2.3.2 .1Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống
2) Lựa chọn hình dáng lõi
Hình dáng lõi và cửa sổ không thực sự quan trọng đối với những thiết kế cuộn
cảm làm việc ở chế độ dịng điện liên tục, bởi vì tổn hao dây quấn thường rất nhỏ. Nhưng đối với những thiết kế dùng cho chế độ dịng điện khơng liên tục, hình dáng cửa sổ cực kỳ quan trọng. Cửa sổ nên chọn rộng nhất có thể để làm tăng tối đa diện tích tản nhiệt của dây quấn và làm giảm tối đa số lớp cuộn dây. Điều này làm giảm tối đa điện trở dây quấn xoay chiều.
Lõi cuộn cảm được chọn để thiết kế ở đây là lõi UUS.
3) Tính tốn cuộn cảm a) Giá trị cuộn cảm a) Giá trị cuộn cảm
Giá trị cuộn cảm được tính theo cơng thức:
L =Vin(min). √2. DMax ∆I. fs =
250. √2. 0,411
6,0811.100. 103 = 0,239 mH
b) Thiết kế cuộn cảm
• Các tham số cần thiết cho thiết kế:
- Điện cảm: L = 0,239 mH
- Dòng điện đầu vào đỉnh: Ipeak = 60,811 A
- Giá trị dao động dòng điện: ∆I = 6,0811 A
- Công suất ra: Pout = 10000 W
- Hệ số điều chỉnh: α = 1%
- Tần số đóng cắt: fs = 100 kHz
- Mật độ từ trường: BM = 0,25 T
- Hệ số lấp đầy cuộn cảm: Ku = 0,4
- Vật liệu làm lõi: Ferrite
• Năng lượng trên cuộn cảm:
Eng =L. Ipeak 2 2 = 0,239. 10−3. 60,8112 2 = 0,442 Ws • Hệ số Ke: Ke = 0,145. Pout. BMax2 . 10−4 = 0,145.10000. 0,252. 10−4 = 9,063. 10−3
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 48 • Hệ số hình học Kg: Kg = Eng 2 Ke. α= 0,4422 9,063. 10−3. 1= 21,556 cm 5
Từ hế số hình học Kg mà ta tính ra được tra bảng ta thấy lõi U93-76-16 là loại lõi phù hợp nhất. Lõi có thơng số như sau:
- Số hiệu lõi: U93-76-16
- Chiều dài đường từ (MPL): 35,4 cm
- Trọng lượng lõi (Wtfe): 800 grams
- Chiều dài vịng trung bình (MLT): 15,2 cm
- Tiết diện sắt (Ac): 4,480 cm2
- Tiết diện cửa sổ (Wa): 34,752 cm2
- Tiết diện sản xuất (Ap): 155,689 cm4
- Hệ số hình học (Kg): 18,354909 cm5
- Tiết diện bề mặt (At): 605,3 cm2
- Cường độ từ cảm trên một đơn vị khối lượng (AL): 1478 mH/kg
- Chiều dài trung bình vịng dây: 9,6 cm
Hình 3- 2: Hình dạng chung của lõi UUS
• Mật độ dịng điện J dựa vào tiết diện sản xuất:
J =2. Eng. 10 4 BM. Ap. Ku = 2.0,442. 104 0,25.155,689.0,4= 567,799 A cm 2 ⁄
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 49 • Dòng điện hiệu dụng: Irms =Ipeak √2 = 60,811 √2 = 43 A
• Tiết diện dây trần cần thiết:
AW(B) =Irms J = 43 567,799= 75,731. 10 −3 cm2 • Đường kính dây lớn nhất có thể chọn:
Đây là nguồn switching vì vậy cuộn cảm làm việc ở tần số cao. Do đó chịu ảnh hưởng lớn của hiệu ứng mặt ngồi. Vì vậy phải chọn đường kính dây phải nhỏ hơn độ ăn sâu của hiệu ứng bề mặt ngoài để tối ưu việc sử dụng dây:
ε =6,62 √f
Trong đó:
- ε là độ ăn sâu của hiệu ứng mặt ngoài
- f là tần số switching
ε = 6,62
√100000= 0,021 cm Tiết diện dây trần:
AW = 3,14. ε2 = 3,14. 0,0212 = 0,00139 cm2
• Lựa chọn kích thước dây quấn từ bảng thơng số:
Ta chọn loại dây AWG26 có tiết diện dây trần là 0,00128 cm2. Đây là kích thước tối thiểu được sử dụng trong thiết kế này. Nếu thiết kế đòi hòi nhiều tiết diện dây hơn để đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật, thì thiết kế sẽ sử dụng #26.
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 50
- Số lượng sợi cần thiết:
Sn = AW(B) #26(Bare area)= 75,731. 10−3 0,00128 = 59,165 sử dụng 60 sợi - Số vịng dây có thể: N = Wa. Ku Sn. #26 = 34,752.0,4 60.0,00128= 181 vòng - Khe hở khơng khí: lg =0,4. π. N 2. Ac. 10−8 L = 0,4. π. 1812. 4,48. 10−8 0,239. 10−3 = 7,717 cm - Hệ thống từ thơng rị F: F = 1 + lg √Ac. ln ( 2. G lg ) = 1 + 7,717 √4,48. ln ( 2.9,6 7,717) = 4,323
- Số vòng mới sau khi thêm hệ số từ thơng rị F:
Nn = √ lg. L 0,4. π. Ac. F. 10−8 = √ 7,717.0,239. 10 −3 0,4. π. 4,48.4,323. 10−8 = 88 vòng - (μΩ cm) mới: (μΩ cm) mới = (μΩcm) Sn = 1345 60 = 22,417
- Điện trở của dây quấn:
RL = MLT. Nn. (μΩ cm) . 10
−6 = 15,2.88.22,417. 10−6 = 0,03 Ω
- Công suất tổn hao trên dây quấn:
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 51 - Hệ số điều chỉnh mới: α = Pcu Pout = 55,47 10000. 100% = 0,5547 %
• Mật độ từ thông xoay chiều:
Bac =0,4. π. Nn. ∆I 2 . 10−4 lg = 0,4. π. 88.6,08112 . 10−4 7,717 = 0,00436 T
• Cơng suất trên một đơn vị khối lượng: W K = k. f m. Bacn = 4,316. 10−5. 1000001,64. 0,004362,68 = 0,00323 Watts/Kg • Tổn hao lõi: Pfe = Wtfe. 10−3. (W K) = 800. 10 −3. 0,00323 = 0,0026 W • Tổng tổn hao: PΣ = Pcu + Pfe = 55,47 + 0,0026 = 55,4726 W • Mật độ công suất: Ψ = PΣ At = 55,4726 605,3 = 0,092 W cm 2 ⁄ • Độ tăng nhiệt: Tr = 450. Ψ0,826 = 450. 0,0920,826 = 62,705 ℃ • Mật độ từ thông đỉnh: Bpeak =0,4. π. Nn. F. Ipeak. 10 −4 lg = 0,4. π. 88.4,323.60,811. 10−4 7,717 = 0,12 T
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 52 • Hệ số Ku: Ku =Nn. Sn. AW(B) Wa = 88.60.0,00128 34,752 = 0,195
Qua các hệ số đã kiểm tra ta thấy các thơng số tính tốn cuộn cảm ban đầu hồn tồn phù hợp.
3.2.1.2 Tính tốn thơng số tụ lọc điện áp đầu ra
Tụ điện lọc đầu ra được lựa chọn dựa vào thời gian tích lũy điện dung của tụ để đạt điện áp 600 V và đảm bảo độ nhấp nhô điện áp đầu ra nằm trong khoảng cho phép là nhỏ hơn 5% so với điện áp đầu ra.
• Chọn độ nhấp nhô điện áp ra:
∆Vout = 0,02. Vout = 0,02.600 = 12 V • Dịng điện ra của mạch: Iout = Pout Vout = 10000 600 = 16,667 A
• Giá trị điện dung tụ lọc đầu ra:
Cout(min) = Iout. D fs. ∆Vout =
16.667.0,411
100. 103. 12 = 5,708 μF Chọn tụ có điện dung: C = 4700 µF
3.2.1.3 Tính tốn thơng số khóa chuyển mạch và diode
Dòng qua khoá chuyển mạch và diode ít nhất bằng với dịng điện cực đại qua cuộn cảm L.
Do đó:
IT = IĐ = Iin = 60,811 A
Điện áp làm việc của MosFet và Diode lớn hơn điện áp ra. UT = UĐ ≥ 600 V
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 53
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU MỘT PHA CẦU H
4.1 Tính chọn van
Hình 4- 1: Sơ đồ bộ nghịch lưu một pha cầu H
Yêu cầu:
- Điện áp ra Uout = 220 V
- Tần số f = 50 Hz
- Cơng suất Pout = 6000 W
• Dịng điện sóng cơ bản trên tải:
It = Pout Uout =
6000
220 = 27,273 A
It max = √2. It = √2. 27,273 = 38,57 A
• Dịng điện an tồn qua IGBT:
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 54
• Chọn hệ số dự trữ dòng điện là k = 3,2:
Iv max = 3,2. Ivan = 3,2.38,57 = 123,424 A
• Điên áp vào khơng ổn định mà dao động và có nhiều yếu tố ảnh hưởng ngẫu nhiên nên chọn hệ số an toàn cho điện áp được lấy trong khoảng 1,7 đến 2,2 V.
Chọn k = 1,7 ta có:
Uv max = 1,7. Udc = 1,7.600 = 1020 V
Làm mát cho van bằng phương pháp dùng cách tản nhiệt và làm mát tự nhiên. Chọn loại van IGBT (có gắn sắn Diode).
4.2 Tính tốn thơng số bộ lọc đầu ra
Ta chọn bộ lọc thụ động. Bộ lọc thụ động gồm 2 loại thường dùng:
➢ Bộ lọc RC:
• Ưu điểm:
- Bộ lọc RC đơn giản nhất, giá thành rẻ.
- Vận hành ổn định.
• Nhược điểm:
- Có tổn hao trên điện trở, tổn hao càng lớn thì cơng suất càng lớn.
- Khả năng chọn lọc tần số kém.
➢ Bộ lọc LC:
• Ưu điểm:
- Có khả năng lọc tốt.
- Lọc được nhiều tần số theo mong muốn.
• Nhược điểm:
- Có thể xuất hiện cộng hưởng gây tăng dịng và áp ảnh hưởng đến các thiết bị.
- Gây nhiễu cho thiết bị chưa thơng tin do có sự phát sinh sóng điện từ cuộn cảm.
Từ những ưu nhược điểm 2 bộ trên. Ta chọn bộ lọc LC để làm bộ lọc cho đầu ra của bộ nghịch lưu.
Bộ lọc đầu ra có ý nghĩa rất quan trọng. Nó gồm 2 phần tử L và C có tác dụng lọc bỏ các thành phần điều hòa bậc cao, chỉ cho phép thành phần sóng cơ bản đi qua, do đó tạo điện áp đầu ra có dạng sóng Sin theo yêu cầu.
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 55
- Dòng điện đầu ra khi khơng tải nhỏ hơn 10% giá trị dịng điện khi đầy tải.
- Tần số cơ bản của bộ lọc gấp 10 lần tần số điện áp đầu ra.
- Sụt áp trên cuộn cảm L khi đầy tải nhỏ hơn 5% giá trị điện áp định mức.
• Cơng thức tính tần số cơ bản của bộ lọc:
fr = 1 2π. √LC
• Giá trị của tụ lọc được thiết kế để hạn chế sự thay đổi của nguồn phản kháng (dưới 5% giá trị nguồn hoạt động):
Preative =Uout
2
ZC ≤ 0,05. Pn Trong đó:
- Preative là công suất phản kháng
- Pn là công suất nguồn hoạt động
- Uout là điện áp ra
• Trở kháng của tụ: ZC ≥ Uout 2 0,05. Pn = 2202 0,05.10000 = 96,8 Ω • Giá trị của tụ lọc: C ≤ 1 ω. ZC = 1 2π. 50.96,8= 32,88 μF Chọn giá trị của tụ điện C là 14 àF.
ã Tn s in ỏp ra la 50 Hz, do đó tần số cơ bản của bộ lọc: fr = 10.50 = 500 Hz
• Do đó, giá trị của cuộn cảm:
L = 1
(2π. fr)2. C =
1
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 56
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
5.1 Mô phỏng bộ băm tăng áp một chiều (Boost converter) sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O MPPT theo phương pháp P&O
Dựa vào sơ đồ cấu trúc của mạch Boost đã trình bày ở chương 3. Sơ đồ mô phỏng
trong Simulink được đưa ra như sau:
Hình 5- 1: Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc mạch Boost trong Matlab/Simulink
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 57
Hình 5- 3: Sơ đồ mơ phỏng bộ băm xung Boost sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O
Hình 5- 4: Đường cong I-V của pin mặt trời qua các bức xạ 1000 W/m^2 và 700,500,200 W/m^2
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 58
Hình 5- 5: Đường cong P-V của pin mặt trời qua các bức xạ 1000 W/m^2 và 700,500,200 W/m^2
Hình 5- 6: Cơng suất đầu ra của hệ thống pin
Nhận xét: Công suất đầu ra của hệ thống pin bám được công suất cực đại, dao động quanh điểm công suất cực đại tương đối rộng.
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 59
Hình 5- 7: Điện áp đầu ra của hệ thống pin
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 60
Hình 5- 9: Cơng suất đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 4700 µF
Nhận xét: Công suất đầu ra bám được công suất cực đại, dao động quanh điểm công suất cực đại tương đối hẹp.
Hình 5- 10: Điện áp đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 4700 µF
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 61
Hình 5- 11: Dịng điện đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 4700 µF
Hình 5- 12: Cơng suất đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 1000 µF
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 62
Hình 5- 13: Điện áp đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 1000 µF
Hình 5- 14: Dịng điện đầu ra của hệ thống DC/DC sử dụng điều khiển MPPT theo phương pháp P&O với C = 1000 µF
Nhận xét chung:
• Khi thay đổi giá trị tụ lọc đầu ra thì cơng suất đầu ra của hệ thống vẫn bám được công suất cực đại tuy nhiên dao động quanh điểm cơng suất cực đại có sự thay đổi. Khi tăng giá trị tụ lọc thì dao động quanh điểm công suất cực đại dần hẹp hơn.
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 63
5.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu một pha cầu H
Dựa vào cấu trúc mạch đã trình bày ở chương 4, sơ đồ mơ phỏng trong Simulink được đưa ra như sau:
Hình 5- 15: Sơ đồ mơ phỏng mạch nghịch lưu một pha cầu H sử dụng bộ lọc LC
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 64
Hình 5- 17: Sơ đồ mơ phỏng bộ nghich lưu một pha cầu H sử dụng bộ lọc LC
Hình 5- 18: Điện áp đầu vào của hệ thống nghịch lưu một pha cầu H sử dụng bộ lọc LC
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 65
Hình 5- 19: Điện áp đầu ra của hệ thống nghịch lưu một pha cầu H sử dụng bộ lọc LC
Hình 5- 20: Dòng điện đầu ra của hệ thống nghịch lưu một pha cầu H sử dụng bộ lọc LC
Nhận xét:
• Đặc tính của điệp áp và dịng điện có dạng hình sin.
• Khi xác lập, điện áp đỉnh là 311V, điện áp hiệu dụng là 220V, phù hợp với điện áp đầu ra mong muốn, dòng tải là 38,5A.
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 66
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.Nguyễn Thế Cơng cùng với sự giúp đỡ của các thầy/cô trong bộ môn Thiết bị điện. Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp và đạt được một số kết quả như sau:
• Nêu được tổng quan và xây dựng mơ hình nhỏ hệ thống pin năng lượng mặt trời.
• Đã tìm hiểu cấu tạo, ngun lý hoạt động, đặc tính làm việc của pin mặt trời.
• Nghiên cứu, xây dựng thuật tốn P&O bám điểm cơng suất cực đại.
• Nêu được nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC, DC-AC.
Do đây là đề tài còn rất mới đối với bản thân, khả năng nhận thức còn hạn chế nên đồ án vẫn còn một số khâu chưa hoàn chỉnh, còn nhiều vấn đề chưa đề cập đến. Những nghiên cứu này chỉ dừng lại ở lý thuyết, thiếu quá trình thực nghiệm thực tế.
Vì thế em rất mong các thầy cơ và các bạn đóng góp thêm nhiều ý kiến, nhận xét quý báu để kiến thức của em được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Nguyễn Thế Cơng trong suốt q trình làm đề tài tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn!
NGUYỄN VĂN TUẤN 20164394 67
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Ngọc Hồng, “Báo cáo ngành điện - thơng điệp từ thị trường cạnh tranh”, 2015.
[2] Hán Thị Ngân, Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn, Luận văn thạc sĩ, Đại học Khoa học Tự nhiên, 2012. [3] Nguyễn Phùng Quang (2004) MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất. Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
[5] Transformer and Inductor Design Handbook (Colonel-4thed).