Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình

Đồ án hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2017

• Tác giả: Hà Đạo Biên
• Người hướng dẫn: TS. Quách Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình tại HCMUTE

Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình là đề tài nghiên cứu trọng điểm tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình tập trung giải quyết bài toán tự chủ năng lượng cho các khu dân cư đô thị. Nguồn bức xạ mặt trời phong phú tại Việt Nam tạo điều kiện lý tưởng để khai thác quang điện. Hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện một chiều qua các tấm pin quang điện. Bộ nghịch lưu đóng vai trò trung tâm trong việc biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Điện áp đầu ra đạt chuẩn 220V với tần số 50Hz, phù hợp cho mọi thiết bị gia dụng. Nghiên cứu kết hợp lý thuyết điện tử công suất với thi công phần cứng thực nghiệm. Mô hình nghiên cứu đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về độ ổn định điện áp và giảm tổn thất năng lượng. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo vào đời sống thường nhật. Các số liệu thực nghiệm khẳng định tiềm năng kinh tế vượt trội của hệ thống quang điện dân dụng.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Khoa Điện - Điện tử thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn đi đầu trong nghiên cứu năng lượng sạch. Đề tài tốt nghiệp do sinh viên Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải. Nhóm nghiên cứu tập trung vào bài toán cấp thiết: phát triển thiết bị chuyển đổi điện mặt trời quy mô nhỏ. Đề tài hướng đến giải pháp năng lượng độc lập, bền vững cho từng hộ dân. Quá trình triển khai bao gồm nghiên cứu linh kiện bán dẫn, lập trình điều khiển và chế tạo bo mạch hoàn chỉnh. Nghiên cứu gắn liền lý thuyết học thuật với giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao. Kết quả đạt được đóng góp giá trị khoa học cho chuyên ngành điện tử công nghiệp.

1.2. Cấu trúc tổng thể của hệ thống điện mặt trời dân dụng

Hệ thống điện mặt trời dân dụng bao gồm nhiều khối chức năng liên kết chặt chẽ. Khối quang điện tiếp nhận ánh sáng mặt trời và sản sinh dòng điện một chiều DC. Nguồn điện DC này được đưa qua bộ nghịch lưu cầu H một pha. Bộ nghịch lưu đóng vai trò biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều AC. Khối điều khiển trung tâm sử dụng chip DSP chịu trách nhiệm tính toán và phát xung kích. Khối mạch lái khuếch đại tín hiệu điều khiển để đóng cắt an toàn các van công suất. Bộ lọc LC ở ngõ ra loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao. Nhờ đó, dạng sóng điện áp đầu ra đạt chuẩn hình sin mịn màng. Dòng điện xoay chiều sau đó cung cấp trực tiếp cho tải sinh hoạt trong nhà.

II. Thách thức kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình

Thiết kế hệ thống điện mặt trời dân dụng đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Nguồn bức xạ mặt trời thay đổi liên tục theo thời tiết khiến điện áp DC ngõ vào không ổn định. Sự dao động này đòi hỏi khâu điều khiển phải phản ứng cực nhanh để duy trì điện áp AC 220V ngõ ra. Khâu chuyển mạch công suất sinh ra tổn thất năng lượng lớn dưới dạng nhiệt. Các van bán dẫn truyền thống như BJT bộc lộ nhược điểm rõ rệt về tần số chuyển mạch thấp và tổn hao lớn. Hiện tượng quá nhiệt dễ gây hư hỏng linh kiện nếu giải pháp tản nhiệt không đủ tốt. Nguy hiểm hơn, hiện tượng trùng dẫn giữa hai van trên cùng một nhánh cầu nghịch lưu có thể gây ngắn mạch nguồn. Hiện tượng này phá hủy tức thì các khóa bán dẫn đắt tiền. Ngoài ra, việc đóng cắt tần số cao còn gây ra méo dạng sóng hài tổng THD. Sóng hài làm giảm hiệu suất và giảm tuổi thọ của các thiết bị điện trong gia đình. Do đó, việc xây dựng giải pháp kích đóng ngắt an toàn và lọc nhiễu là yêu cầu sống còn.

2.1. Hạn chế về tổn hao và tần số chuyển mạch bán dẫn

Trong các bộ biến đổi công suất, khóa bán dẫn là linh kiện chịu tải nhiệt lớn nhất. Khóa bán dẫn BJT có giới hạn tần số chuyển mạch chỉ khoảng 10kHz. Khi công suất van tăng lên, tần số đóng cắt tối đa của BJT tiếp tục suy giảm nghiêm trọng. Tổn hao công suất trên cực Collector Pth = Uce x Ice sinh ra lượng nhiệt rất lớn. Lượng nhiệt tích tụ vượt ngưỡng giới hạn sẽ phá vỡ cấu trúc tinh thể bán dẫn. Khi van làm việc ở tần số lớn, tổn hao đóng cắt trung bình càng tăng vọt. Nhược điểm này khiến BJT không còn thích hợp cho các bộ nghịch lưu yêu cầu kích thước nhỏ gọn. Do đó, việc chuyển đổi sang công nghệ linh kiện thế hệ mới là giải pháp bắt buộc.

2.2. Nguy cơ trùng dẫn và méo sóng hài trong mạch nghịch lưu

Mạch nghịch lưu cầu H một pha tiềm ẩn nguy cơ xảy ra hiện tượng trùng dẫn nguy hiểm. Thời gian tắt của van bán dẫn thường dài hơn thời gian bật. Khi van trên chưa khóa hoàn toàn mà van dưới đã mở, dòng điện ngắn mạch xuất hiện. Tình trạng này khiến dòng qua linh kiện tăng vọt tức thì và phá hủy van công suất. Ngoài ra, việc đóng cắt xung PWM tạo ra các sóng hài bậc cao gây méo dạng sóng sin. Sóng hài làm nóng động cơ, gây tiếng ồn và làm giảm hiệu suất thiết bị gia đình. Nếu không có bộ lọc ngõ ra tối ưu, hệ thống không thể cung cấp nguồn điện đạt chuẩn. Giải pháp đòi hỏi thời gian trễ đóng ngắt chuẩn xác và mạch lọc sóng hài hiệu quả.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình

Đề tài tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đưa ra giải pháp toàn diện để tối ưu hóa bộ biến đổi. Trọng tâm của giải pháp là bộ nghịch lưu 1 pha điều chế độ rộng xung PWM. Hệ thống ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất IGBT FGA25N120ANTD. Dòng van này có khả năng chịu áp 1200V, dòng định mức 25A và tổn hao dẫn rất thấp. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng kit thử nghiệm DSP TMS320F28335 của hãng Texas Instruments. Vi xử lý này sở hữu tốc độ xử lý 150MHz với các khối ePWM chuyên dụng cực mạnh. Nhờ đó, việc tính toán thuật toán điều chế sin SPWM diễn ra theo thời gian thực rất mượt mà. Hệ thống tích hợp mạch kích lái chuyên dụng để biến đổi mức logic 3.3V lên mức điện áp kích đóng ngắt thích hợp. Mạch lái còn chủ động tạo thời gian trễ chết nhằm triệt tiêu hoàn toàn rủi ro trùng dẫn. Khối hồi tiếp điện áp sử dụng biến áp và diode Zener 3V để bảo vệ chân tín hiệu ADC của DSP. Toàn bộ thiết kế đảm bảo hệ thống vận hành liên tục, an toàn và đạt hiệu suất cao.

3.1. Ứng dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 và van IGBT

Kit DSP TMS320F28335 là nền tảng điều khiển kỹ thuật số tối ưu cho bộ nghịch lưu. Bộ xử lý 32-bit dấu phẩy động cho phép thực hiện thuật toán điều chế xung phức tạp. Tần số dao động cao tạo xung điều chế có độ mịn lớn và khử tốt các sóng hài. Van IGBT FGA25N120ANTD kết hợp trở kháng vào lớn của MOSFET và khả năng dẫn dòng mạnh của BJT. Linh kiện chịu đựng tốt mức điện áp đánh thủng cao và có độ sụt áp thấp. Tần số đóng cắt của IGBT đáp ứng hoàn hảo tần số sóng mang của hệ thống. Sự phối hợp giữa DSP TMS320F28335 và IGBT giúp nâng cao hiệu suất biến đổi điện mặt trời. Mạch vận hành mát hơn và giảm thiểu tối đa tổn hao công suất.

3.2. Thiết kế mạch kích lái cách ly và mạch hồi tiếp bảo vệ

Mạch kích lái giữ vai trò cầu nối then chốt giữa chip xử lý và tầng công suất. Tín hiệu xung từ DSP chỉ ở mức logic 3.3V, không đủ để mở van IGBT. Mạch lái nâng mức áp lên dải đóng cắt tiêu chuẩn và tạo tính năng cách ly quang an toàn. Mạch kích cũng chủ động tạo thời gian trễ khóa nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trùng dẫn van. Mạch hồi tiếp được thiết kế gọn gàng với điện trở phân áp 4.7k, 1k và diode Zener 3V. Biến áp hạ áp đưa điện áp lưới về thang đo 0 đến 3V. Diode Zener ghim áp chặt chẽ để bảo vệ kênh ADC của DSP khỏi sự cố quá áp. Đèn LED chỉ thị tích hợp giúp giám sát nguồn cấp thuận tiện trong quá trình vận hành.

IV. Ứng dụng thực tế của hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình

Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình chứng minh giá trị thực tế cao qua các đợt chạy thử tải. Kết quả đo kiểm trên máy hiện sóng cho thấy dạng sóng điện áp ngõ ra đạt hình sin chuẩn 220V, tần số 50Hz. Điện áp hồi tiếp luôn bám sát dải an toàn từ 0 đến 3V theo đúng tính toán thiết kế. Hệ thống cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị sinh hoạt gia đình như đèn chiếu sáng, quạt điện và máy tính. Công nghệ đóng cắt mềm kết hợp bộ lọc ngõ ra giúp giảm độ méo sóng hài và nâng cao hiệu suất truyền dẫn. Mô hình đem lại lợi ích kép về mặt kinh tế và môi trường. Hộ dân vừa cắt giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa hạn chế phát thải khí nhà kính. Thành công của đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa thiết bị năng lượng tái tạo. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc để nhân rộng mô hình điện mặt trời áp mái tại các đô thị Việt Nam.

4.1. Kết quả thử nghiệm và chất lượng điện áp đầu ra

Quá trình thử nghiệm phần cứng ghi nhận các thông số vận hành ấn tượng. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu đạt 220V hình sin chuẩn xác ở tần số công nghiệp 50Hz. Tín hiệu hồi tiếp đo qua máy hiện sóng có biên độ từ 0 đến 3V rất ổn định. Dạng sóng không bị méo đỉnh hay dao động ký sinh nguy hiểm. Các van IGBT FGA25N120ANTD hoạt động an toàn, tản nhiệt tốt trong suốt quá trình cấp điện cho phụ tải. Bộ lọc thụ động triệt tiêu hiệu quả các thành phần sóng hài bậc cao từ xung PWM. Độ méo hài tổng THD được kiểm soát ở mức thấp, bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện tử dân dụng. Kết quả thực nghiệm khẳng định chất lượng thiết kế mạch và thuật toán điều khiển trên kit DSP.

4.2. Khả năng nhân rộng và tối ưu hóa năng lượng tái tạo

Mô hình hệ thống điện mặt trời hộ gia đình sở hữu tiềm năng thương mại hóa lớn. Thiết kế sử dụng các linh kiện phổ biến trên thị trường giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất bo mạch. Khả năng mở rộng công suất linh hoạt cho phép tùy biến theo nhu cầu tiêu thụ điện của từng hộ dân. Giải pháp giúp giảm tải đáng kể cho lưới điện quốc gia trong các khung giờ cao điểm ban ngày. Người dùng chủ động được nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm chi phí tiền điện sinh hoạt lâu dài. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm thuật toán dò điểm công suất cực đại MPPT và hòa lưới tự động. Hướng phát triển này góp phần thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng xanh tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình" được thực hiện bởi sinh viên Hà Đạo Biên và Nguyễn Công Trường, dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2013, bảo vệ tháng 8/2017).

Bối cảnh thực tiễn của nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời nhằm thay thế các nguồn năng lượng truyền thống (nhiệt điện đốt nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm khí quyển, điện hạt nhân tiềm ẩn nguy cơ phóng xạ). Năng lượng mặt trời có đặc điểm phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện tự nhiên, thời tiết và khí hậu; đồng thời ngõ ra của pin quang điện là nguồn điện một chiều (DC). Do đó, để vận hành các thiết bị điện sinh hoạt gia đình thông thường, cần phải qua khâu biến đổi trung gian và nghịch lưu để tạo ra nguồn điện xoay chiều (AC) có điện áp và tần số phù hợp (220V – 50 Hz). Khảo sát các nghiên cứu trước đó tại các trường đại học, nhóm tác giả ghi nhận một đề tài năm 2013 tại Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh về hệ thống hòa lưới điện gia đình dùng pin mặt trời, tuy nhiên hệ thống đó tồn tại nhược điểm là dạng sóng ngõ ra chưa chuẩn sin và độ méo hài tổng (THD) còn lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 3 nội dung:

1. Nghiên cứu và phân tích bộ nghịch lưu 1 pha sử dụng bán dẫn công suất.
2. Thiết kế hệ thống biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều 220V – 50 Hz.
3. Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá chất lượng thực của hệ thống nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm 5 nội dung:

1. Phân tích bộ nghịch lưu 1 pha PWM sử dụng bán dẫn công suất IGBT FGA25N120ANTD.
2. Phương pháp điều chế xung PWM.
3. Thiết kế mạch nghịch lưu 1 pha.
4. Thiết kế, lập trình card điều khiển DSP TMS320F28335 Experimenter Kit.
5. Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và khắc phục sự cố.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ nghịch lưu áp một pha sử dụng 4 van bán dẫn IGBT FGA25N120ANTD, phương pháp điều chế độ rộng xung sinPWM lập trình trên vi xử lý DSP TMS320F28335, cùng các mạch chức năng phụ trợ (mạch kích DeadTime - Driver, mạch nguồn nuôi cách ly, mạch hồi tiếp điện áp).
• Phạm vi và giới hạn thực tế:
  • Hệ thống chỉ hoạt động được khi có bức xạ ánh sáng mặt trời.
  • Công suất tối đa của tải đầu ra thiết kế là 100W.
  • Vận hành song song: cần có nguồn điện lưới cấp đồng thời để nuôi các khối điều khiển và mạch kích của hệ thống.
  • Mô hình phần cứng gồm 2 phần cơ khí riêng biệt: giá đỡ hệ thống nghịch lưu bằng sắt 2 tầng kích thước 35 x 35 x 120 cm và giá đỡ 2 tấm pin mặt trời bằng nhôm kích thước 50 x 60 x 120 cm.
  • Do điều kiện kinh phí và công suất thực tế của pin cùng tổn hao lõi biến áp, thử nghiệm trực tiếp với 2 tấm pin quang điện (50W/tấm) chỉ cấp được cho tải công suất 5 – 10W (220VAC). Để chứng minh khả năng ổn định điện áp 220VAC ở các mức tải cao hơn (60W, 45W), nhóm tác giả sử dụng nguồn DC thay thế có dải điều chỉnh 30V – 40V.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào nguyên lý nghịch lưu áp độc lập một pha và kỹ thuật điều chế độ rộng xung:

• Các cấu hình nghịch lưu áp 1 pha:
  • Nghịch lưu nửa cầu dùng nguồn đôi: Hoạt động dựa trên 2 van đóng cắt $S_1, S_2$ với điều kiện không trùng dẫn ($TS_1 + TS_2 = 1$). Điện áp ngõ ra chỉ có 2 mức ($+U$ và $-U$), hiệu suất lý thuyết dưới 50% và gặp khó khăn trong việc duy trì cân bằng điện áp nguồn đôi.
  • Nghịch lưu đẩy kéo (Push-Pull): Sử dụng máy biến áp có điểm giữa ở cuộn sơ cấp. Nhược điểm của sơ đồ này là hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn dây và từ trễ của lõi thép làm điện áp tải bị méo dạng nhiều, THD cao, thường chỉ áp dụng cho dạng sóng vuông hoặc tam giác.
  • Nghịch lưu toàn cầu (Full-bridge): Sử dụng 4 khóa công suất ($S_1$ đến $S_4$) chia làm 2 nhánh ($TS_1 + TS_4 = 1$ và $TS_2 + TS_3 = 1$). Điện áp trên tải xác định theo công thức $U_t = (TS_1 - TS_2) \cdot U$, tạo ra 3 mức điện áp ($+U, 0, -U$). Cấu hình này giúp triệt tiêu bậc sóng hài bậc thấp, giảm thiểu độ méo hài tổng THD và tối ưu hiệu suất sử dụng nguồn một chiều duy nhất.
• Kỹ thuật điều chế xung SinPWM: Tạo chuỗi xung kích bằng cách so sánh tín hiệu điện áp điều khiển hình sin ($V_{sin}$) với điện áp sóng mang tam giác ($V_{saw}$) có tần số cao ($f_{sw} = 10\text{ kHz}$). Độ rộng xung đóng van ($t_{on}$) biến thiên theo hàm sin, qua đó tái tạo thành phần sóng hài bậc 1 dạng sin trên tải xoay chiều.
• So sánh và lựa chọn phần tử bán dẫn công suất: Văn bản phân tích đặc tính của ba dòng linh kiện:
  • BJT: Dòng kích lớn, tần số đóng cắt giới hạn dưới 10 kHz, công suất tổn hao điều khiển cao.
  • MOSFET: Tốc độ đóng cắt rất cao, trở kháng vào lớn nhưng điện trở dẫn ($R_{DS(on)}$) lớn gây tổn hao dẫn cao ở dải điện áp lớn.
  • IGBT: Kết hợp ưu điểm trở kháng vào lớn của MOSFET (điều khiển bằng điện áp) và điện áp rơi khi dẫn bão hòa thấp của BJT ($U_{CE(sat)} \approx 3\text{V}$), dải công suất rộng, tần số đáp ứng đến 20 kHz. Tác giả chọn IGBT mã hiệu FGA25N120ANTD ($1200\text{V}, 50\text{A}$ tại $25^\circ\text{C}$).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

• Phương pháp phân tích và mô phỏng mạch: Sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng thuật toán điều chế SinPWM, kiểm tra dạng sóng trước khi thi công mạch thực tế; sử dụng phần mềm Eagle và Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB).
• Phương pháp thực nghiệm - kiểm chứng: Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh, lập trình thời gian thực trên card DSP TMS320F28335 thông qua môi trường Code Composer Studio (CCS). Kiểm tra thông số bằng máy hiện sóng (Oscilloscope) và đồng hồ vạn năng VOM.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ datasheet nhà sản xuất (Fairchild Semiconductor, Texas Instruments), các công thức tính toán điện tử công suất chuẩn và dữ liệu đo đạc thực nghiệm tại phòng thí nghiệm D405.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phần cứng kết hợp bộ điều khiển kỹ thuật số:

Khối chức năng	Phần cứng / Linh kiện chính	Thông số kỹ thuật / Chức năng thiết kế
Nguồn cấp sơ cấp	02 tấm pin mặt trời 36 cell ghép nối tiếp	Công suất tối đa $50\text{W} \times 2 = 100\text{W}$; $V_{mp} = 18{,}2\text{V} \times 2 = 36{,}4\text{V}$; $I_{mp} = 2{,}74\text{A}$; $V_{oc} = 23{,}27\text{V}$; $I_{sc} = 2{,}94\text{A}$
Mạch nghịch lưu cầu	04 IGBT FGA25N120ANTD	Điện áp chịu đựng $V_{CES} = 1200\text{V}$; dòng $I_C = 50\text{A}$ ($25^\circ\text{C}$); công suất tiêu tán cực đại $312\text{W}$
Khối xử lý trung tâm	Card DSP TMS320F28335 Delfino Experimenter Kit	Nạp và gỡ lỗi qua mạch nạp XDS100 JTAG tích hợp; tạo 2 kênh xung PWM điều chế sin riêng biệt
Mạch DeadTime	IC cổng NOT 74HC14, IC cổng OR 74HC32, mạch trễ RC	Tạo thời gian trễ chống trùng dẫn $t_{deadtime} = 3,\mu\text{s}$ ($C = 0{,}01,\mu\text{F}$, tính toán $R = 163,\Omega$, chọn thực tế $R = 220,\Omega$)
Mạch lái (Driver)	08 Optocoupler PC817 ($I_{Cmax} = 50\text{mA}$), điện trở phân cực	Cách ly quang giữa DSP và khối động lực; cung cấp dòng kích $I_G \approx 30\text{mA}$ ($K_C \approx 3, f_{sw} = 10\text{ kHz}$); điện trở hạn dòng $R_3 = R_4 = 330,\Omega$; trở cực cổng $R_7 = R_{12} = 330,\Omega$, $R_8 = R_9 = R_{10} = R_{11} = 470,\Omega$
Khối nguồn nuôi	IC 7805, IC 7815, IC 7915, biến áp $220/15-0-15\text{V}$ (3A)	- Nguồn $+5\text{VDC}$ cấp cho logic mạch kích và hồi tiếp (dòng tiêu thụ khảo sát $540\text{mA}$) - 04 bộ nguồn $\pm 15\text{VDC}$ độc lập (dùng 4 biến áp riêng) cấp điện áp đóng ngắt dứt khoát cho cực G-E của các IGBT
Khối hồi tiếp điện áp	Biến áp hạ áp $220\text{V}/3\text{V}$, cầu phân áp, diode Zener 3V	Hạ áp và chỉnh dải biên độ về $\le 1\text{V}_{pp}$; nâng điện áp lên bán kỳ dương tạo mức $0 \div 3\text{VDC}$ đưa vào khối ADC của DSP
Khối nâng áp và tải	Máy biến áp tăng áp 1 pha	Biến đổi điện áp xung ngõ ra của mạch cầu thành điện áp xoay chiều $220\text{VAC} - 50\text{Hz}$ cấp cho phụ tải

Quy trình thi công và thử nghiệm được tiến hành qua các bước: thi công mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra nguội từng module nguồn, cấp tín hiệu xung điều khiển từ DSP vào mạch kích để quan sát xung tại cực G-E trên dao động ký, sau đó đấu nối liên động toàn bộ mạch động lực với máy biến áp và tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên xu thế chuyển dịch sang năng lượng tái tạo và vai trò trung tâm của bộ nghịch lưu 1 pha dùng linh kiện bán dẫn công suất. Tác giả điểm qua một số công trình liên quan trong và ngoài nước, chỉ ra hạn chế về độ méo sóng hài trong nghiên cứu nghịch lưu hòa lưới trước đây. Đồng thời, chương này xác định 3 mục tiêu nghiên cứu, 5 nhiệm vụ cụ thể, các giới hạn kỹ thuật của mô hình (công suất tải cực đại 100W, phụ thuộc thời tiết, cần nguồn điện lưới nuôi mạch điều khiển) và kết cấu bố cục gồm 6 chương của toàn văn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết về các mạch nghịch lưu áp một pha: sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi, sơ đồ cầu toàn phần và sơ đồ đẩy kéo. Tác giả phân tích phương pháp điều chế xung SinPWM dựa trên nguyên lý so sánh tín hiệu sin chuẩn với sóng mang tam giác tần số cao. Chương này trình bày quy trình tạo xung mô phỏng trên phần mềm PSIM và nạp chương trình qua Code Composer Studio cho bộ xử lý TMS320F28335. Nội dung chương đi sâu vào khảo sát các linh kiện phần cứng: nguyên lý pin quang điện (loại 36 cell/tấm, công suất cực đại 50W); so sánh đặc tính đóng cắt, dải công suất và tổn hao của BJT, MOSFET, IGBT để chứng minh tính tối ưu của van FGA25N120ANTD; nguyên lý cách ly mạch lái bằng optocoupler và vai trò của mạch tạo thời gian chết DeadTime.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 xây dựng sơ đồ khối toàn diện của hệ thống và giải thích chức năng của từng khối. Tác giả thuyết minh lý do lựa chọn cấu hình nghịch lưu cầu 4 van IGBT để đạt hiệu suất cao và giảm độ méo hài tổng THD. Chương này thể hiện chi tiết các bước tính toán thông số mạch:

• Mạch DeadTime: Xác định ngưỡng điện áp logic thấp của IC 74HC32 ($0{,}8\text{V}$), tính toán chọn thời gian trễ $3,\mu\text{s}$ với tụ $C = 0{,}01,\mu\text{F}$ và điện trở $R = 220,\Omega$.
• Mạch lái IGBT: Sử dụng optocoupler PC817, tính chọn các điện trở phân cực nhằm khống chế dòng cực góp $I_C < 50\text{mA}$ và đáp ứng dòng kích cực cổng $I_G \approx 30\text{mA}$ ở tần số chuyển mạch $10\text{ kHz}$.
• Khối nguồn nuôi: Khảo sát tổng dòng tải nguồn 5V tiêu thụ là $540\text{mA}$ để thiết kế bộ nguồn $5\text{V} - 1\text{A}$ dùng IC 7805, tụ lọc $2200,\mu\text{F}$; thiết kế 4 khối nguồn độc lập $\pm 15\text{VDC}$ dùng IC 7815 và 7915.
• Mạch hồi tiếp: Thiết kế mạch phân áp kết hợp mạch cộng offset để biến đổi điện áp thứ cấp của biến áp $220\text{V}/3\text{V}$ về khoảng điện áp $0 \div 3\text{VDC}$, tương thích trực tiếp với đầu vào kênh ADC của DSP TMS320F28335.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quá trình gia công và chế tạo thực tế các thành phần phần cứng. Tác giả trình bày thông số giá đỡ 2 tấm pin mặt trời (mắc nối tiếp tạo điện áp danh định 36,4V, công suất lý thuyết 100W). Chương liệt kê chi tiết danh mục linh kiện, quy cách đóng gói và quy trình hàn lắp cho từng bo mạch: module nguồn $\pm 15\text{VDC}$ (bảng 4.1 gồm IC 7815, 7915, tụ $2200,\mu\text{F}, 100,\mu\text{F}$, cầu diode 3A), module nguồn $+5\text{VDC}$ (bảng 4.2 dùng IC 7805), module mạch kích (bảng 4.3 gồm 8 opto PC817, 2 IC 74HC32, 2 IC 74HC14) và mạch hồi tiếp (bảng 4.4 gồm điện trở $4{,}7\text{k}\Omega, 1\text{k}\Omega$, Zener 3V). Tác giả nêu rõ quy trình kiểm tra an toàn bằng đồng hồ VOM và máy hiện sóng trước khi tích hợp liên khối.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 so sánh kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM với kết quả thực nghiệm đo đạc thực tế:

• Thử nghiệm với nguồn pin mặt trời: Hệ thống vận hành được với các phụ tải công suất nhỏ (bóng đèn $220\text{V}/5\text{W}$ và $220\text{V}/10\text{W}$). Công suất đầu ra thực tế bị hạn chế bởi cường độ bức xạ thời tiết thực tế và hiệu suất của máy biến áp.
• Thử nghiệm với nguồn DC thay thế: Sử dụng bộ nguồn một chiều có thể điều chỉnh trong dải $30\text{V} \div 40\text{V}$ cấp cho ngõ vào mạch nghịch lưu cầu. Kết quả chứng minh hệ thống duy trì điện áp ngõ ra ổn định $220\text{VAC}$, tần số $50\text{ Hz}$ khi mang các tải công suất lớn hơn gồm bóng đèn sợi đốt $220\text{V}/60\text{W}$ và quạt điện $220\text{V}/45\text{W}$. Dạng sóng điện áp ngõ ra ghi nhận trên dao động ký đạt dạng sin chuẩn, hệ số méo hài tổng THD dưới 5%.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu: đã làm chủ thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng bộ nghịch lưu 1 pha SPWM dùng IGBT, lập trình điều khiển thành công trên card DSP TMS320F28335, bảo đảm điện áp ngõ ra $220\text{VAC} - 50\text{ Hz}$ với THD đạt chuẩn. Tác giả nêu các hướng mở rộng nhằm khắc phục mặt hạn chế về công suất tấm pin và khả năng cung cấp điện liên tục của hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng bộ nghịch lưu 1 pha cầu hoàn chỉnh sử dụng 4 van IGBT FGA25N120ANTD, tích hợp khối mạch kích có thời gian trễ DeadTime $3,\mu\text{s}$ bảo vệ chống ngắn mạch nhánh cầu.
• Lập trình giải thuật điều chế độ rộng xung sinPWM trên bộ thí nghiệm DSP TMS320F28335 Delfino ở tần số đóng cắt $10\text{ kHz}$.
• Về mặt thực nghiệm:
  • Khi dùng nguồn pin quang điện (2 tấm 50W nối tiếp): Hệ thống cấp điện ổn định cho bóng đèn tải $220\text{V}/5\text{W}$ và $220\text{V}/10\text{W}$.
  • Khi dùng nguồn DC thay thế biến thiên trong dải $30\text{V} \div 40\text{V}$: Điện áp đầu ra duy trì ổn định ở mức $220\text{VAC}$, tần số chuẩn $50\text{ Hz}$, cấp nguồn cho tải đèn $220\text{V}/60\text{W}$ và quạt điện $220\text{V}/45\text{W}$. Dạng sóng điện áp đầu ra đạt chuẩn hình sin, độ méo hài tổng THD nhỏ hơn 5% ($\text{THD} < 5%$), các thành phần hài bậc cao không đáng kể.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

• Thiết kế mạch kích phân tầng kết hợp giữa mạch trễ logic (74HC14, 74HC32, RC) và mạch lái cách ly quang học qua PC817, giúp loại bỏ hoàn toàn khả năng trùng dẫn van và triệt tiêu xung nhiễu ngược về vi xử lý DSP.
• Ứng dụng 4 kênh nguồn $\pm 15\text{VDC}$ sử dụng các biến áp riêng biệt để tạo điện thế kích đóng/ngắt dứt khoát tại cực cổng của từng IGBT độc lập.
• Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp sử dụng biến trở tinh chỉnh $10\text{ k}\Omega$ và diode Zener 3V để khống chế biên độ điện áp đưa vào ADC của DSP luôn nằm trong khoảng an toàn $0 \div 3\text{V}$, đồng thời bù trừ sai số phi tuyến do chất lượng lõi biến áp thương mại.

Đóng góp kỹ thuật: So với các nghiên cứu sinh viên trước đó (tiêu biểu là đề tài nghịch lưu hòa lưới năm 2013 tại Đại học Công nghiệp TP.HCM với dạng sóng ngõ ra bị méo và THD lớn), đề tài này đã giải quyết triệt để bài toán chất lượng điện năng bằng cách đưa THD về dưới mức 5%, bảo đảm điện áp dạng sin chuẩn phục vụ an toàn cho các thiết bị gia dụng có tính cảm như quạt điện ($45\text{W}$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong văn bản:

• Hệ thống hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào thời điểm có ánh sáng mặt trời, chưa có khối ắc quy lưu trữ để cấp điện khi trời râm mát hoặc ban đêm.
• Chưa hoạt động độc lập hoàn toàn vì vẫn phải sử dụng song song nguồn điện lưới để cấp cho các biến áp của mạch nguồn phụ trợ ($+5\text{VDC}$ và các bộ $\pm 15\text{VDC}$) nuôi mạch kích và card DSP.
• Công suất ngõ ra thực tế khi dùng pin quang điện mới chỉ đạt mức $5 \div 10\text{W}$, thấp hơn nhiều so với công suất thiết kế lý thuyết (100W) do chất lượng thực tế của tấm pin và hiệu suất chuyển đổi của lõi máy biến áp tăng áp còn thấp.
• Chưa tích hợp giải thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho giàn pin mặt trời.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nâng cấp số lượng hoặc công suất tấm pin quang điện, cải tiến thiết kế và chất lượng lõi máy biến áp ngõ ra để nâng cao hiệu suất biến đổi và công suất tải.
• Tích hợp thêm hệ thống ắc quy lưu trữ điện năng và mạch quản lý nạp/xả thông minh để duy trì nguồn điện liên tục cho phụ tải gia đình.
• Nghiên cứu lập trình nhúng giải thuật MPPT (như phương pháp P&O hoặc điện dẫn gia tăng) trực tiếp trên DSP TMS320F28335 để tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng từ bức xạ mặt trời.
• Nghiên cứu bổ sung khâu đồng bộ pha để phát triển thành hệ thống inverter hòa lưới điện gia đình.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Tự động hóa và Năng lượng tái tạo:

• Tham khảo về thiết kế phần cứng điện tử công suất: Cung cấp đầy đủ sơ đồ nguyên lý, công thức tính chọn chi tiết cho mạch kích IGBT (deadtime, điện trở phân cực cực G, cách ly quang), mạch nguồn đối xứng $\pm 15\text{V}$ và mạch hồi tiếp bảo vệ ADC.
• Tham khảo về phương pháp điều khiển nhúng: Quy trình kết hợp công cụ mô phỏng PSIM với môi trường biên dịch Code Composer Studio để tạo mã điều chế sinPWM cho dòng vi điều khiển hiệu năng cao C2000 Delfino (TMS320F28335).
• Dữ liệu thực nghiệm: Cung cấp các thông số kiểm thử cụ thể khi chạy tải thuần trở (đèn sợi đốt 5W, 10W, 60W) và tải dung/cảm (quạt điện 45W), phục vụ cho việc đối chuẩn trong các đồ án thiết kế bộ biến đổi DC/AC sau này.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn sơ đồ nghịch lưu toàn cầu thay vì sơ đồ nửa cầu hay đẩy kéo?
Sơ đồ nửa cầu đòi hỏi nguồn đôi DC phức tạp và hiệu suất biến đổi lý thuyết dưới 50%. Sơ đồ đẩy kéo gây méo dạng sóng lớn do hiện tượng từ trễ và hỗ cảm của biến áp có điểm giữa. Sơ đồ toàn cầu 4 van IGBT cho phép tạo ra 3 mức điện áp trên tải ($+U, 0, -U$), giúp giảm đáng kể độ méo hài tổng THD, tận dụng tối đa nguồn DC đơn từ pin mặt trời và nâng cao hiệu suất của toàn mạch.

2. Thời gian trễ DeadTime trong mạch kích được chọn là bao nhiêu và được tính toán như thế nào?
Thời gian trễ DeadTime được chọn là $3,\mu\text{s}$. Mạch sử dụng cổng NOT 74HC14, cổng OR 74HC32 và mạch phóng nạp RC. Dựa trên ngưỡng điện áp logic thấp của IC 74HC32 là $0{,}8\text{V}$ và giá trị tụ điện $C = 0{,}01,\mu\text{F}$, phương trình phóng nạp tụ cho ra điện trở tính toán là $163,\Omega$. Trong thực tế thi công, tác giả chọn điện trở chuẩn $220,\Omega$ để bảo đảm khoảng trễ an toàn triệt tiêu hiện tượng trùng dẫn nhánh cầu.

3. Tại sao trong thử nghiệm với nguồn pin mặt trời thực tế, hệ thống chỉ cấp được cho tải 5W – 10W dù công suất lý thuyết của 2 tấm pin là 100W?
Do các yếu tố thực tế can thiệp bao gồm: bức xạ ánh sáng mặt trời không đạt điều kiện tối ưu làm suy giảm công suất phát thực tế của pin, cùng với đó là tổn hao lõi từ và hiệu suất chuyển đổi còn thấp của máy biến áp tăng áp thương mại được sử dụng trong mô hình thử nghiệm.

4. Khối hồi tiếp điện áp được thiết kế như thế nào để tránh gây hỏng card điều khiển DSP?
Khối hồi tiếp sử dụng máy biến áp hạ áp $220\text{V}/3\text{V}$, kết hợp mạch cầu phân áp (dùng biến trở tinh chỉnh $10\text{ k}\Omega$ và điện trở $1\text{ k}\Omega$) để đưa biên độ điện áp về $\le 1\text{V}_{pp}$. Sau đó, mạch cộng op-amp dịch mức áp lên phía dương để tạo dải dao động hoàn toàn trong khoảng $0 \div 3\text{VDC}$ và tích hợp thêm diode Zener 3V kẹp áp ngõ ra, bảo đảm tín hiệu đưa vào khối ADC của DSP TMS320F28335 không vượt quá ngưỡng điện áp phá hủy của vi điều khiển.

5. Khi sử dụng nguồn DC thay thế (30V – 40V), hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật ngõ ra nào?
Hệ thống duy trì điện áp ngõ ra ổn định ở mức $220\text{VAC}$, tần số cố định $50\text{ Hz}$, đáp ứng vận hành tốt cho tải bóng đèn $220\text{V}/60\text{W}$ và tải quạt $220\text{V}/45\text{W}$. Dạng sóng điện áp đạt dạng sin chuẩn với độ méo hài tổng THD nhỏ hơn 5%, các thành phần hài không mong muốn đều ở mức không đáng kể.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điện mặt trời phục vụ hộ gia đình" đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình nghịch lưu 1 pha SPWM sử dụng 4 van bán dẫn IGBT FGA25N120ANTD điều khiển bởi card xử lý DSP TMS320F28335. Hệ thống đã giải quyết được các yêu cầu kỹ thuật cơ bản về tạo thời gian trễ DeadTime $3,\mu\text{s}$ chống trùng dẫn, cách ly quang an toàn và xây dựng khối nguồn nuôi độc lập. Mặc dù công suất phát trực tiếp từ 2 tấm pin mặt trời còn hạn chế do tổn hao và điều kiện thời tiết, thử nghiệm kiểm chứng với nguồn DC thay thế đã khẳng định hệ thống có khả năng ổn định điện áp đầu ra $220\text{VAC} - 50\text{ Hz}$ với độ méo hài tổng THD dưới 5%, đáp ứng đúng định hướng nghiên cứu đã đề ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày những lý luận về lý thuyết mạch, những nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu, để từ đó kết nối chúng lại và xây dựng thành hệ thống.  Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.

Chương này trình bày phần thiết kế mạch, tính toán các giá trị, thông số linh kiện, biến áp …  Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày sơ đồ nguyên lí và hình ảnh thực tế các phần của hệ thống.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá. Chương này trình so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm.

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Chương 2.1 NGUYÊN TẮC NGHICH ̣ LƯU MỘT PHA Thiết bị nghịch lưu là thiết bị có khả năng chuyển đổi dòng điện một chiều ra dòng điện xoay chiều, có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Chính vì vậy còn gọi là nghịch lưu độc lập.

Theo sơ đồ thì có nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha, theo quá trình điện tử xảy ra thì có nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng. Ở đây do đề tài nghiên cứu nghịch lưu 1 pha từ nguồn áp một chiều, nên đối tượng chính trong chương cơ sở lý thuyết là các hệ thống nghịch lưu áp một pha. Nghịch lưu áp 1 pha có thể được thực hiện bằng các sơ đồ nghịch lưu nửa cầu, sơ đồ cầu, sơ đồ kiểu đẩy kéo [5].1 Sơ đồ nửa cầu dùng nguồn đôi Hiǹ h 2. 1 Sơ đồ nguyên lý mạch nửa cầu dùng nguồn đôi Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu dùng nguồn đôi được trình bày ở hình 2.

Các khóa công suất S1, S2 có chức năng đóng cắt để tạo sự thay đổi dòng điện và điện áp trên tải. Khi hai tiếp điểm này thay phiên nhau đóng cắt, thì điện áp và dòng điện qua tải sẽ có sự thay đổi. Để không bị ngắn mạch thì các khóa S1 và S2 không được trùng dẫn và để đảm bảo dòng liên tục qua tải thì tại 1 thời điểm có ít nhất một khóa dẫn. Tức là nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1 hoặc 2) thì 𝑇𝑆1 + 𝑇𝑆2 = 1 (2.1) _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 CHƯƠNG 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG Khi S1 dẫn, S2 không dẫn, dòng điện It từ B qua A. Điện áp trên tải Ut = U. Ngược lại, khi S2 dẫn, S1 không dẫn, dòng điện It từ A qua B. Điện áp trên tải Ut = - U.

Do đó điện áp trên tải được xác định theo trạng thái các khóa như ở bảng 2. 1 Bảng trạng thái nghịch lưu nửa cầu TS1 TS2 Ut 0 1 -U 1 0 U Một cách tổng quát điện áp trên tải được xác định theo trạng thái khóa như sau: 𝑈𝑡 = 𝑇𝑆1 .4) cho thấy trạng thái kích 2 khóa là đảo của nhau và điện áp ra phụ thuộc trạng thái kích của các khóa và do cách điều chế sẽ xác định.2 Sơ đồ cầ u Sơ đồ nghịch lưu nửa cầu cho thấy tại 1 thời điểm chỉ có 1 trong 2 nguồn tác dụng. Vì thế hiệu suất nghịch lưu là khá thấp (<50%). Một trong các cách để nâng cao hiệu suất là thực hiện nghịch lưu theo sơ đồ cầu (hình 2.

2 Sơ đồ nguyên lí ma ̣ch cầ u So với sơ đồ nửa cầu số khóa công suất tăng gấp đôi, do đó điện áp rơi (tổng trên các khóa) tại mỗi thời điểm cũng tăng tương ứng. Phần mạch chính của sơ đồ cầu là 4 khóa công suất (S1 đến S4) được mắc thành 2 nhánh. Nhánh trái gồm S1 và S4 và nhánh phải gồm S2 và S3. Các khóa trong 1 nhánh không được cùng dẫn để đảm bảo _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 CHƯƠNG 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG không ngắn mạch nguồn U. Do đó, nếu gọi TSi là trạng thái khóa thứ i (i là 1, 2, 3 hoặc 4) thì 𝑇𝑆1 + 𝑇𝑆4 = 1 và 𝑇𝑆2 + 𝑇𝑆3 = 1 (2.5) Do đó điện áp trên tải sẽ phụ thuộc trạng thái các khóa công suất và có giá trị như ở bảng 2. 2 Bảng trạng thái nghịch lưu cầu TS1 TS2 Ut 0 0 0 0 1 -U 1 0 U 1 1 0 Như vậy so với sơ đồ nửa cầu thì điện áp trên tải của sơ đồ cầu có thể có nhiều mức hơn (3 mức [-U, 0, U]) nên độ méo hài tổng (THD) khi sử dụng sơ đồ này sẽ nhỏ hơn.2 có thển xác định điện áp trên tải theo trạng thái các khóa như sau 𝑈𝑡 = (𝑇𝑆1 − 𝑇𝑆2 ).6) Nếu thực hiện điều chế với TS1 = 1-TS2 (khóa S1 là đảo của khóa S2) thì công thức (2.6) trở lại như (2.4) có nghĩa là chúng ta không tận dụng được mức 0 để giảm THD. Do đó khi xây dựng giải thuật điều khiển với nghịch lưu cầu chúng ta sẽ thực hiện điều chế riêng biệt với 2 tín hiệu này.

Điều này có nghĩa là ta sẽ sử dụng 2 bộ PWM riêng biệt. Để giảm số khóa công suất người ta còn giới thiệu thêm sơ đồ nghịch lưu áp kiểu đẩy kéo (hình 2.3 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu áp Để sử dụng mạch nghịch lưu kiểu đẩy kéo người ta sử dụng biến áp có sơ cấp có điểm giữa như hình 2.3 _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 2. 3 Sơ đồ đẩ y kéo bô ̣ nghich ̣ lưu áp Tuy nhiên do ảnh hưởng hỗ cảm của các cuộn dây của máy biến áp và đặc tính từ trễ nên điện áp trên tải sẽ bị méo dạng khá nhiều và làm tăng THD.

Do đó sơ đồ này thường chỉ áp dụng với nghịch lưu mà điện áp trên tải có dạng xung vuông hoặc tam giác (không sin).2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG PWM Trong phần trước đã trình bày thì điện áp thì điện áp ra tải của nghịch lưu được quyết định bởi trạng thái các khóa công suất trong sơ đồ. Việc xác định các trạng thái kích của các khóa được thực hiện bằng một mạch điện phần cứng hoặc 1 đoạn chương trình phần mềm mà ta gọi là kỹ thuật (phương pháp) điều chế. Phương pháp điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông kích các khóa công suất (TSi), dẫn đến sự thay đổi điện áp ra theo các hàm 2. Khi thực hiện bằng phần cứng, mạch điều chế PWM sẽ có cấu tạo như hình 2.

4 Mạch điều chế PWM Như vậy đều chế PWM nhằm tạo xung kích Vpwm bằng cách so sánh điện áp điều khiển (Vsin) và điện áp sóng mang dạng xung răng cưa hoặc tam giác (Vsaw), tần số xung tam giác phải rất lớn so với tần số sóng điều khiển. Do đó, trong 1 chu kỳ _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG sóng tam giác (TS) điện áp sóng điều khiển gần như không thay đổi biên độ (hình 2. Với mỗi biên độ điện áp điều khiển Vsin, ta sẽ xác định được xung kích Vpwm với độ rộng xung ton theo điện áp điều khiển như (2.7) 𝑉𝑠𝑎𝑤,𝑃𝑃 Trong đó Vsin là biên độ sóng Vsin trong chu kỳ đang xét, Vsaw,PP là biên độ đỉnh đỉnh của sóng mang tam giác và TS là chu kỳ của nó.

Với sóng mang tam giác như hình 2.4b thì Vsaw,PP =2 do đó (2.7) được viết lại 𝑉𝑠𝑖𝑛 𝑡𝑜𝑛 = .8) 2 Nếu chúng ta cấp xung Vpwm cho các cực G của IGBT trong cấu hình bán cầu hoặc cầu thì điện áp ra trên tải sẽ thay đổi theo ton. Tức là điện áp trên tải của các sơ đồ sẽ thay đổi theo Vsin. Do đó nếu chọn điện áp điều khiển dạng sin thì chúng ta sẽ thu được điện áp trên tải sẽ có thành phần hài bậc 1 như điện áp điều khiển-dạng sin. Và đây chính là nguyên tắc để chúng ta tạo ra nghịch lưu sinPWM.

5 Điện áp điều khiển (Vsin), điện áp sóng mang và điện áp trên tải với cấu hình nghịch lưu nửa cầu. _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển từ các bộ biến đổi AC/AC, DC/DC đến các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu. Ngày nay điều chế PWM chình là cốt lõi của điện tử công suất.

Có 2 phương pháp điều chế xung PWM là: Điều chế PWM bằng phần cứng: Là phương pháp so sánh, sử dụng trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556. Điều chế PWM bằng phần mềm: Ưu điểm của việc sử dụng phần mềm là độ chính xác cao về tần số PWM cũng như đơn giản hóa về mạch nguyên lý. Xung PWM tạo ra dựa trên xung của CPU nguồn. Có khá nhiều phần mềm và chip điều khiển để thực hiện công việc này, như: chip 8051, vi điều khiển họ 16F, hay Card DSP 320F28335… 2.3 TẠO XUNG PWM DỰA TRÊN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PSIM, CCS VÀ CARD DSP 320F28335.

Vẽ sơ đồ và sử dụng các khối hỗ trợ trong PSIM. 6 Sơ đồ nguyên lý tạo xung PWM trong PSIM Trong khối 1-ph PWM, ta dễ dàng đặt tần số PWM mong muốn ở ô PWM Frequency như hình 2. _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 9 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Hiǹ h 2.

7 Thiết lập thông số cho xung PWM Kết quả mô phỏng của việc so sánh xung răng cưa và hàm sin, ta được chuỗi xung vuông có độ rộng thay đổi hình 2. 8 Dạng sóng PWM tạo ra Đoạn chương trình biên dịch để nạp vào Card DSP 320F28335 Khi có được đoạn chương trình trên, ta sử dụng trình biên dịch CCS (Code Composer Studio) để nạp vào Card DSP 320F28335 là có được xung PWM.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh _____________________________________________________________________ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 10 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng.