CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài. Điện tử công suất là ngành đang được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện tại. Các khối ngành kĩ thuật mà có những ứng dụng tiêu biểu như: truyền động điện động cơ xoay chiều với điện áp cao, giao thông đường sắt, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau.
Ngày nay, với việc sử dụng nhiều hơn các mạch điện tử làm cho các phần tử bán dẫn công suất ngày một được ưa chuộng hơn. Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện áp, nghịch lưu dòng điện. Các bộ biến đổi này hay được sử dụng trong việc điều khiển động cơ điển hình nhất là động cơ một pha và ba pha. Đa phần hiện nay đều sử dụng các mạch với công suất lớn.
Để đáp ứng với các mạch công suất lớn đó thì cần phải nâng cao giá trị điện áp và dòng điện. Tuy nhiên, khả năng chịu đựng được điện áp và dòng điện của các thiết bị điện tử công suất là có giới hạn. Ngày nay, người ta hay dùng giải pháp là mắc song song để tạo dòng điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp. Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống.
Nghịch lưu áp hai bậc truyền thống chỉ có thể tạo ra điện áp thấp. Điện áp đó không đủ để điều khiển được tải với công suất lớn chẳng hạn như động cơ. Mạch nghịch lưu áp đa bậc cascade có nhiều ưu điểm hơn nghịch lưu áp hai bậc là công suất cao hơn, dòng điện ở ngõ ra tốt hơn, chất lượng điện áp tốt hơn hẳn. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là sử dụng nhiều linh kiện điện tử hơn do đó số mạch điện tử cũng tăng lên, giải thuật điều khiển phức tạp hơn.
Bởi vậy mạch nghịch lưu áp đa bậc có giá thành cao hơn. Tuy nhiên, đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được nghiên cứu rất nhiều. Nhưng ở đây người thực hiện đã kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng DSP F28335 của hãng Texas Instrument trên thuật toán Cascade, chạy thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài. Chính vì vậy, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha sử dụng năng lượng mặt trời” để tìm hiểu phương pháp nâng cao hiệu quả bộ nghịch lưu 5 bậc cũng như ứng dụng thực tiễn của nó trong đời sống.
Mục đích và mục tiêu của đề tài. Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về nghịch lưu áp đa bậc. Tìm hiểu về các lệnh sử dụng trong Matlab. 1 do an Thi công mạch nguồn cho mạch kích, mạch kích, mạch công suất.
Mô phỏng Matlab bộ nghịch lưu với mô hình thực nghiệm sử dụng card DSP TMS320F28335. Thiết kế và thi công mô hình hoàn chỉnh. Chạy thực nghiệm với tải đèn, tải động cơ 1 pha và so sánh với kết quả mô phỏng chạy trên Matlab. Điểm mới của đề tài Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng vi xử lý TMS320F28335 trên thuật toán cascade, chạy thực nghiệm tải đèn, tải động cơ.
Chứng minh việc cải thiện chất lượng sóng khi nghịch lưu 5 bậc thông qua mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Thu thập dữ liệu trên máy tính, giám sát chất lượng sóng thông qua máy đo hiển thị sóng Oscilloscope. Ý nghĩa thực tiễn Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, cũng như nhu cầu về năng lượng cao của các thiết bị công nghiệp. Các trường đại học, cao đẳng, các phòng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mô hình thí nghiệm hiện đại, đắt tiền.
Đối với một số trường, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế. Điểm chung của các mô hình này có thể ứng dụng nhúng các thuật toán để điều khiển. Trong lĩnh vực tự động hóa, có rất nhiều thuật toán để điều khiển từ cổ điển đến hiện đại nhưng ở đây đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất nhanh. Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay được chọn dùng card DSP TMS320F28335 kết hợp với ngôn ngữ lập trình là Matlab.
Việc kết hợp giữa TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra bộ điều khiển linh hoạt sử dụng trong việc điều khiển các tải với công suất cao, giúp nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng. Các kết quả mô phỏng và thực tiễn trên mô hình bộ nghịch lưu áp một pha năm bậc cho thấy dạng sóng ra tương ứng gần giống như mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink và điều khiển động cơ chạy êm, dạng sóng ít nhiễu, độ mịn sóng sin cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành và nghiên cứu. 2 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu tổng quát 2.
Giới thiệu hệ thống pin năng lượng mặt trời Hình 2.1: Hệ thống pin mặt trời đầy đủ Hình trên mô tả đầy đủ nhất về hệ thống pin năng lượng mặt trời. Hệ thống đó có thể cung cấp trực tiếp cho tải một chiều (DC) và cũng có thể qua bộ nghịch lưu (inverter) biến đổi ra điện áp xoay chiều để điều khiển tải xoay chiều (AC). Ngày nay đa phần sử dụng tải AC xoay chiều thì bộ nghịch lưu ngày càng được sử dụng nhiều hơn vì nó ít tiêu tốn năng lượng điện, hòa hợp với môi trường. Có 2 loại: sử dụng hệ pin mặt trời hòa lưới để cung cấp cho các nhà máy, xí nghiệp và sử dụng hệ pin mặt trời độc lập để cung cấp cho nhu cầu của người sử dụng.
3 do an Hình 2.2: Hệ thống pin mặt trời hòa lưới Hình trên mô tả hệ thống pin mặt trời hòa lưới. Hệ thống này qua bộ inverter hòa lưới truyền điện vào lưới điện để sử dụng.3: Hệ thống pin mặt trời độc lập Hình trên mô tả hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập. Hệ thống này không hòa vô lưới điện truyền tải mà chỉ sử dụng để điều khiển các tải nhẹ trong gia đình hiện nay. Ngày nay, hệ thống này được sử dụng khá phổ biến để điều khiển các tải xoay chiều 3 pha phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
Pin mặt trời 2. Khái niệm về pin mặt trời. Định nghĩa: Pin mặt trời hay còn được gọi là pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện – phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sang, phổ biến đó là diode quang. Đặc tuyến ngõ ra của hệ thống pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào các yếu tố như: cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời, điện áp ngõ ra,… 2.
Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. - Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng nhờ vào hiệu ứng quang điện bên trong tấm pin. - Vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể. Pin Mặt trời từ tinh thể silic, còn gọi là các hạt mang điện gồm hạt electron và các lỗ trống.4: Cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời Hình trên mô tả cấu tạo bên trong tấm pin năng lượng mặt trời.
Nó được cấu tạo bởi điện cực trong suốt tiếp nhận từ nguồn ánh sáng mặt trời hang ngày, lớp tiếp xúc và điện cực (-).3 Nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời. Nguyên lý hoạt động của tấm pin được minh họa trong hình dưới đây: Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời Pin mặt trời hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất. Bộ tích trữ điện (Acquy).
Khái niệm về acquy. Acquy là một nguồn điện hóa học có thể biến đổi hóa năng thành điện năng và ngược lại. Trong acquy có thể xảy ra 2 quá trình phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của acquy đó là quá trình phóng điện và quá trình nạp điện. Quá trình biến đổi hóa năng thành điện năng được gọi là quá trình phóng điện và ngược lại quá trình biến đổi điện năng thành hóa năng là quá trình nạp điện.
Acquy sử dụng nguồn điện một chiều thường là số chẵn Ứng dụng của acquy: - Dùng để ổn định điện áp từ đó có thể sử dụng để cấp cho tải. - Có thể sử dụng trong các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô,… 6 do an 2. Cấu tạo của acquy. Acquy gồm vỏ bình, bên trong có các ngăn riêng.
Số ngăn tùy thuộc vào điện áp định mức ghi trên bình acquy. Với điện áp aquy được sử dụng trong đồ án này là 12 V thì được chia làm 6 ngăn (2,1V/1 Cell). Vỏ bình chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec. Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống Các ngăn ắc quy được nối tiếp với nhau bằng cầu nối.
Quan trọng nhất vẫn là 2 Điện cực +, - từ Cell đầu và Cell cuối acquy. Cấu tạo của Ắc-quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách.6: Cấu tạo bên trong của Acquy thông thường Hình trên mô tả cấu tạo bên trong của acquy. Nó gồm các bộ phận bảo vệ và các bản cực để hình thành được điện thế cấp cho các cọc bình, từ đó cấp cho tải bên ngoài. Nguyên lý hoạt động của acquy.
Trong acquy xảy ra hiện tượng phóng điện. Hiện tượng phóng điện là năng lượng điện được phát ra khi axit sunphuric trong dung dịch điện phân phản ứng với chì và trở thành nước. Khi đó thì axit sunphuric sẽ kết hợp với bản cực âm và bản cực dương làm cho chúng chuyển thành sunfat chì. Ở cực dương xảy ra phương trình hóa học như sau: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 +2H2O + O2.
Ở cực âm xảy ra phương trình hóa học như sau: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2. Phản ứng gộp: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2H2SO4 + 2H2O. Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu đối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện. Khái niệm về bộ nghịch lưu áp.