Vậy tải nhận được dịng xoay chiều (AC) là những xung vng có biên độ phụ thuộc tải. Và với dịng điện AC trên tải là những xung vng thì chưa đáp ứng được yêu cầu của đề tài này.
2.3.3.2. Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa:
- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ ngun lý như trên Hình 2.15. Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ. Tụ điện C có vai trị giúp các thyristor chuyển mạch. Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn khơng cho tụ C phóng ngược trở lại nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn.
- Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa cuộn dây sơ cấp. Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C. Mở thyristor tiếp theo sẽ làm khố thyristor trước, nhờ q trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song.
- + L1 L2 L3 C U1 MCR12DCMT4 U2 MCR12DCMT4 TAI Ld
Hình 2.15: Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa
- Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng. Trong thực tế, điện áp một chiều trên hai đầu dây quấn chỉ có thể được duy trì bằng từ thơng biến thiên, do đó cần có dịng điện từ hố ban đầu.
- Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp, nghĩa là kích mở một thyristor gần thời điểm dẫn của thyristor khác, làm cho điện áp tải có trị số cực đại.
- Với sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa cho chất lượng điện áp ra chưa đạt yêu cầu của đề tài, nên ta phân tích thêm một số sơ đồ khác để đi đến lựa chọn sơ nào có chất lượng điện áp ra tốt hơn.
2.3.3.3. Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu:
- Nguyên lý chung: Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc điện tử (IGBT) và 4 diod mắc song song. (Hình 2.16). Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch.
Nhưng phải ln lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 khơng được đóng đồng thời, nếu khơng sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị.
+ + - - S2 S1 S4 S3 D1 D2 D3 D4 C V Tai Vo
2.3.3.4. Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H)
- Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển các khóa trong mạch ta có thể tạo điện áp dương, âm và 0V trên tải. Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua Hình 2.17.
Q1 IRF3205 Q2 IRF3205 Q4 IRF3205 Q3 IRF3205 R TAI 330 Vdc
Hình 2.17: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc
- Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 2.1
- Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ, ví dụ ngắn mạch.
Bảng 2.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H
Q1 Q2 Q3 Q4 Áp trên tải
Dẫn Tắt Tắt Dẫn Dương
Tắt Dẫn Dẫn Tắt Âm
Dẫn Dẫn Tắt Tắt 0V
Tắt Tắt Dẫn Dẫn 0V
2.3.4. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
- Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp. Có thể kể đến như phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng,…Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt. Thơng thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin mơ phỏng và sin chuẩn.
2.3.4.1. Dạng sóng sin mơ phỏng:
Một sóng sin mơ phỏng có dạng sóng gần với sóng vng nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin. Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 2.18 dưới đây. Sóng sin mơ phỏng có thể được tạo dễ dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định. Do đó, giá thành rẻ. Tuy nhiên khơng phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này.
2.3.4.2. Dạng sóng sin chuẩn:
Để tạo ra dạng sóng sin chuẩn thì cũng có nhiều phương pháp. Trong luận văn này ta chỉ xét phương pháp điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) bằng linh kiện điện tử số:
- Tín hiệu PWM tương tự sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác. Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín hiệu sóng mang ở dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần số chuẩn.
Hình 2.18: Sóng sin mơ phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE) và xung vuông (SQUARE WAVE) (SINE WAVE) và xung vuông (SQUARE WAVE)
Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái (mức hấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao). Quy trình này được mơ tả trong Hình 2.19.
Hình 2.19: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM
Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo).
- Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng.
2.3.5. Lọc sóng hài
2.3.5.1. Khái niệm về sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu khơng mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dịng điện hài là dịng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ dịng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5.
Dịng điện 250Hz là dịng năng lượng khơng sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy, Sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
Sóng hài được đặc trưng của dao động hồn tồn trên phổ tần số cơng nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.
Hình 2.20: Mơ dạng tín hiệu méo gây bởi song hài
Nguyên nhân của sóng hài là do các phụ tải dạng phi tuyến trong hệ thống điện. Điện áp đầu vào của tải phi tuyến thì là dạng hình sin nhưng dịng qua nó có dạng khơng sin.
Một dạng sóng bất kỳ là tổng của các dạng sóng hình sin. Khi đồng nhất từ chu kỳ này sang chu kỳ khác nó có thể được miêu tả như những sóng sin cơ bản và bội số của tần số cơ bản, có nghĩa là bao gồm sóng sin cơ bản và chuỗi của các dạng sóng sin hài bậc cao, gọi là chuỗi Fourier.
Q trình tính tốn có thể nối lưới có lưu trữ với mỗi hài riêng. Kết quả tính tốn của mỗi tần số sẽ được kết hợp vào một dạng của chuỗi Fourier để có dạng sóng ra tổng quát nếu cần. Thông thường chỉ cần quan tâm đến biên độ của sóng hài.
Khi cả nửa chu kỳ âm, dương của một dạng sóng có dạng đồng nhất, chuỗi Fourier chỉ chứa hài bậc lẻ. Điều này làm đơn giản cho quá trình nghiên cứu hệ thống vì hầu hết các thiết bị sinh ra sóng hài thơng thường có dạng sóng đồng nhất. Tuy nhiên sự xuất hiện của sóng hài thường gây ra sự cố cho các thiết bị tải hoặc các bộ biến đổi dùng cho đo lường.
2.3.5.2. Nguyên nhân phát sinh sóng hài
Các tải cơng nghiệp: Các thiết bị điện tử cơng suất, lị hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn,…
Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lị vi sóng,…
Bảng 2.1 trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của chúng. Độ méo điều hòa phụ thuộc chế độ vận hành của thiết bị do sự đối xứng của dạng sóng dịng điện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các điều hịa bậc lẻ. Phổ có thể gián đoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên hoặc lặp lại.
Sóng hài gây nên sự gia tăng nhiệt độ trong thiết bị và ảnh hưởng đến cách điện. Trong các trường hợp khắc nghiệt có thể làm hư hỏng thiết bị hay giảm tuổi thọ.
2.3.5.3. Tác hại sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện mơi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data network) và thiết bị đo cho kết quả sai.
2.3.5.4. Giải pháp lọc sóng hài
Việc loại bỏ sóng hài bằng các bộ lọc cộng hưởng LC chủ yếu theo các phương pháp:
- Cuộn cảm nối tiếp - Bộ lọc thụ động
- Bộ lọc thụ động mắc song song và nối tiếp - Bộ lọc tích cực
Bảng 2.2: Dạng sóng của một số loại phi tuyến
2.3.6. Nguồn điện một chiều (Ắc quy)
2.3.6.1. Giới thiệu chung về Ắc quy
- Đối với ắc quy, trên thị trường cũng có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên loại ắc quy được đề cập đến trong đề tài là ắc quy axit.
- Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Dịng điện trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H2SO4.
- Bình ắc quy được làm từ nhiều tế bào ắc quy (cell), ta gọi đó là những ắc quy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng.
- Mỗi ắc quy đơn có điện thế khoảng 2V. Ắc quy 12V có 6 ắc quy đơn mắc nối tiếp.
- Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều ắc quy lại với nhau như Hình 2.21 như sau.
Hình 2.21: Cấu tạo Ắc quy
- Khi sử dụng hay nạp điện và bảo dưỡng cho ắc quy, cần tuân thủ nghiêm ngặt theo quy định của nhà sản xuất.
- Những dấu hiệu cho thấy ắc quy đã đầy điện khi nạp.
+ Hiện tượng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dương + Tỷ trọng chất điện phân so với nước đạt 1.12 – 1.22 đối với ắc quy cố định và 1.25 – 1.30 đối với ắc quy di động.
+ Hiệu điện thế đạt 2.7 – 2.8 và ổn định trong suốt 3h
+ Dung lượng nạp vào gấp 1.2 – 1.3 lần dung lượng định mức
2.3.6.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93
- Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại ắc quy chì dùng cho mục đích khởi động có điện áp danh định 6V và 12V
- Bình ắc quy phải đảm bảo gắn kín, khơng thốt hơi ở quanh chân đầu điện cực và quanh nắp, áp suất chân khơng trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg)
- Khi đặt nghiêng bình ắc quy một góc 450 so với vị trí làm việc, điện dịch khơng được chảy ra ngồi.
- Nhựa gắn kín nắp bình ắc quy phải đồng nhất, chịu được axit, không thấm nước và chịu được sự thay đổi nhiệt độ từ (-30) đến 600C.
- Khả năng khởi động ban đầu: (chỉ áp dụng cho ắc quy tích điện khơ). Trong vòng 60 ngày kể từ ngày sản xuất, ắcquy phải đảm bảo được thông số theo bảng 2.2
Bảng 2.3: Khả năng khởi động ban đầu của ắc quy Ắc quy tích Ắc quy tích điện khơ Dịng điện phóng khởi động Ip, (A)
Thời gian tối thiểu kết thúc khởi động (phút) Điện áp đầu ra (V) Sau 5-7s từ lúc bắt đầu phóng Điện áp cuối Loại bình 6v Loại bình 12v Loại bình 6v Loại bình 12v Trong vịng 60 ngày kể từ khi sản xuất 3C20 3 4 8 3 6 Chú thích: C20: dung lượng ở chế độ phóng nạp 20h
- Dung lượng danh định của ắc quy: Dung lượng được xác định theo chế độ phóng điện 20 giờ với dịng điện liên tục khơng đổi Ip = 0.05C20 (A) và nhiệt độ điện dịch được trước khi phóng khơng quá 320C. Bình ắc quy phải ngừng phóng điện khi điện áp ở hai đầu điện cực giảm đến 5.25V (đối với bình 6V) và 10.5V (đối với bình 12V).
- Khả năng phóng điện khởi động của ắc quy
- Khả năng phóng điện khởi động được xác định bằng khả năng phóng điện ở chu kì thứ 4 với dịng phóng Ip = 3C20 (A). Chỉ tiêu này để áp dụng cho ắcquy khơng thuộc loại tích điện khơ. Các thơng số của ắc quy phải đạt như theo bảng 2.3
- Khả năng nhận nạp điện: được xác định bằng dịng điện nạp. Bình ắc quy mới chưa qua sử dụng sau khi nạp no, phóng điện 5 giờ với Ip = 0.1C20 (A), sau đó nạp với điện áp 7.2V (đối với bình 6V) và 14.4V (đối với bì.nh 12V), trong 10 phút, dịng điện nạp khơng nhỏ hơn 0.1C20 (A).
- Khả năng chịu được nạp quá áp của ắc quy: Bình ắc quy phải chịu được nạp quá bằng dòng điện liên tục không đổi In = 0.1C20 (A) trong 100 giờ với 4 chu kỳ liên tục. Sau mỗi chu kì nạp 100 giờ để hở mạch 68 giờ và phóng kiểm tra bằng
dịng điện Ip = 3C20 (A) ở nhiệt độ 40±30C để đến điện áp cuối của ắc quy theo bảng 2.2. Thời gian phải đạt trên 4 phút.
Bảng 2.4: Khả năng phóng điện của ắc quy
Thời gian tối thiểu kết thúc khởi động tính bằng (phút) Dịng điện phóng khởi động Ip, (A) Điện áp đầu ra Sau 5-7s từ lúc bắt đầu phóng Điện áp cuối Loại bình 6V Loại bình 12V Loại bình 6V Loại bình 12V 5.5 3C20 4 8 3 6
- Tổn thất dung lượng (tự phóng) của bình ắc quy: tổn thất dung lượng so với dung lượng danh định sau 14 ngày đêm không giảm quá 14%.
- Tuổi thọ của ắc quy (tính theo chu kỳ phóng nạp điện): Tuổi thọ ắc quy phải đạt thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này.
- Ghi nhãn: Tên mỗi bình ắc quy phải ghi rõ và bền: + Tên nhà máy sản xuất
+ Dấu hiệu hàng hóa sản xuất
+ Kí hiệu quy ước ắc quy; dung lượng danh định (Ah); điện áp (V) + Kí hiệu đầu cực: Cực dương “+” và âm “ - ”
+ Thời gian sản xuất
+ Kí hiệu tiêu chuẩn này (TCVN:4472:93)
2.3.7. Hệ thống điều khiển
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển nghịch lưu một pha sử dụng nguồn năng lượng tái tạo pin mặt trời. Đây là một nguồn năng lượng tái tạo rất có tiềm năng ở nước ta. Vì vậy, từ sơ đồ khối cấu trúc điều khiển của hệ thống pin mặt trời nối lưới có lưu trữ, ta thấy cần phải thực hiện thiết kế các phần điều khiển:
- Thiết kế điều khiển điện áp một chiều DC/DC. - Thiết kế điều khiển DC/AC.
2.3.7.1. Điều khiển điện áp một chiều
Điện áp đường một chiều được đưa đến bộ nghịch lưu để biến đổi thành điện áp xoay chiều tần số 50Hz kết nối với lưới điện. mạch vòng điều chỉnh điện áp được đưa vào nhằm duy trì điện áp khơng thay đổi khi điện áp pin quang điện thay đổi