Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, điều kiện khí hậu cận nhiệt đới đem lại tiềm năng năng lượng mặt trời dồi dào với số giờ nắng trung bình đạt từ 8 đến 10 giờ mỗi ngày. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống quang điện (Photovoltaic - PV) lắp đặt tĩnh hiện nay không có khả năng tự định hướng theo quỹ đạo chuyển động của mặt trời, dẫn đến hiệu suất hấp thụ bức xạ suy giảm rõ rệt và gây lãng phí chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống giàn pin.

Mặt khác, công suất phát ra từ tấm pin mặt trời luôn biến thiên phi tuyến theo cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Việc kết nối trực tiếp tấm pin vào tải tiêu thụ hoặc bình lưu trữ mà không qua khâu điều khiển tối ưu sẽ làm điểm làm việc lệch xa khỏi điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP). Đồng thời, nhu cầu sử dụng điện thực tế trong sinh hoạt và sản xuất thường đòi hỏi nguồn xoay chiều ba pha để vận hành các thiết bị như động cơ, máy bơm, quạt công nghiệp. Từ thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu ba pha ứng dụng công nghệ MPPT cho bộ sạc acquy" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ khâu thu nhận, tối ưu hóa năng lượng mặt trời đến khâu lưu trữ và nghịch lưu cấp điện cho tải xoay chiều ba pha.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án là thiết kế và chế tạo thành công một hệ thống khép kín gồm:

  1. Hệ thống giàn pin mặt trời tự vận hành bám hướng nắng (Tracking PV).
  2. Mạch nạp điện tự động cho bình acquy sử dụng phương pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT).
  3. Mạch tăng áp một chiều (DC-DC Boost Converter) nâng điện áp lưu trữ từ acquy lên mức yêu cầu.
  4. Mạch nghịch lưu ba pha (DC-AC Inverter) chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn điện xoay chiều ba pha điều khiển động cơ và phụ tải.

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm 4 phần việc:

  • Nhiệm vụ 1: Thiết kế hệ thống cơ cấu bám hướng mặt trời (Tracking) cho dàn pin năng lượng mặt trời.
  • Nhiệm vụ 2: Thiết kế và thi công mạch sạc bình acquy.
  • Nhiệm vụ 3: Thiết kế và thi công mạch tăng áp DC-DC Boost.
  • Nhiệm vụ 4: Thiết kế, thi công mạch nghịch lưu ba pha và mạch điều khiển động cơ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tấm pin năng lượng mặt trời, công nghệ tối ưu hóa công suất cực đại MPPT, mạch biến đổi điện áp một chiều (DC-DC), bình lưu trữ điện năng (acquy chì), và bộ nghịch lưu áp ba pha sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (SPWM).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế phần cứng mạch in (PCB), tích hợp linh kiện bán dẫn công suất, lập trình giải thuật điều khiển trên vi điều khiển họ Microchip (PIC16F886, PIC16F887, dsPIC30F4011) và kiểm thử thực nghiệm trên mô hình thực tế tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử - Truyền thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 10/2017 đến tháng 01/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất, kỹ thuật điều khiển vi xử lý và nguyên lý chuyển đổi năng lượng tái tạo:

  • Công nghệ MPPT và đặc tính pin quang điện (PV): Pin năng lượng mặt trời tạo dòng điện dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn khi photon ánh sáng tạo ra các cặp electron - lỗ trống. Điểm làm việc của pin là giao điểm giữa đường đặc tính dòng - áp (I-V) của tấm pin và đặc tính của tải. Để trích xuất công suất cực đại khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi liên tục, thuật toán MPPT được áp dụng để can thiệp vào chu kỳ đóng ngắt của bộ biến đổi công suất DC-DC. Trong đề tài, tác giả áp dụng phương pháp đo trực tiếp điện áp (U) và dòng điện (I) của pin để tính toán công suất tức thời ($P = U \times I$), so sánh với giá trị cực đại và điều khiển cơ cấu chấp hành định hướng giàn pin theo góc bức xạ tối ưu.
  • Lý thuyết biến đổi điện áp một chiều (DC-DC Converter): Bộ băm xung áp một chiều làm việc dựa trên nguyên lý đóng ngắt van bán dẫn công suất (MOSFET, IGBT). Giá trị điện áp trung bình đầu ra trên tải được xác định qua chu kỳ làm việc (Duty Cycle $D = t_{\text{ON}} / T$) theo công thức $U_0 = D \cdot U_{\text{in}}$. Đối với cấu trúc đẩy kéo (Push-Pull) sử dụng biến áp xung lõi ferit hoạt động ở tần số cao, điện áp đầu ra được xác định theo tỷ số vòng dây $U_t = 2 \cdot (n_2 / n_1) \cdot U \cdot D$ (với $0 < D < 0{,}5$).
  • Lý thuyết nghịch lưu độc lập ba pha: Chuyển đổi nguồn áp một chiều thành xoay chiều ba pha lệch nhau góc $120^\circ$. Đề tài phân tích hai phương pháp điều khiển cầu nghịch lưu:
    1. Điều khiển theo biên độ (Nghịch lưu 6 bước - Six-step Inverter): Các van bán dẫn dẫn điện trong khoảng $180^\circ$ hoặc $120^\circ$, mỗi $60^\circ$ diễn ra một quá trình chuyển mạch theo thứ tự $S_1, S_3', S_2, S_1', S_3, S_2'$. Phương pháp này loại bỏ sóng hài bậc chẵn và sóng hài bội ba trên điện áp dây nhưng đòi hỏi điện áp DC đầu vào phải điều chỉnh được.
    2. Điều chế độ rộng xung theo hàm sin (Sinusoidal PWM - SPWM): So sánh ba tín hiệu sóng sin chuẩn lệch pha nhau $120^\circ$ với một sóng mang dạng tam giác tần số cao ($2 \div 10\text{ kHz}$). Để triệt tiêu hoàn toàn sóng hài bậc chẵn và đảm bảo điện áp ba pha cân bằng, số lượng xung trong mỗi bán kỳ bắt buộc phải là số lẻ và là bội số của 3.
  • Nguyên lý lưu trữ của acquy chì-axit: Quá trình nạp và xả dựa trên phản ứng điện hóa thuận nghịch giữa hai bản cực ($PbO_2$ ở cực dương và $Pb$ ở cực âm) cùng dung dịch điện phân $H_2SO_4$: $$\text{Cực dương: } 2PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O + O_2$$ $$\text{Cực âm: } Pb + H_2SO_4 \rightleftharpoons PbSO_4 + H_2$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính chọn thông số cuộn cảm, tụ lọc, điện trở phân áp và giới hạn công suất tiêu tán của linh kiện bán dẫn.
  • Phương pháp thiết kế mạch in (CAD/CAM): Vẽ sơ đồ nguyên lý và layout bo mạch hai lớp cho từng khối chức năng riêng biệt.
  • Phương pháp lập trình điều khiển nhúng: Lập trình phát xung PWM tần số 40 kHz trên vi điều khiển 8-bit và lập trình phát 6 kênh xung SPWM lệch pha $120^\circ$ trên vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng dsPIC.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Sử dụng máy hiện sóng (Oscilloscope) để khảo sát trực tiếp dạng sóng xung kích, độ lệch pha điện áp ngõ ra và kiểm tra sự vận hành cơ học của mô hình tracking cùng động cơ tải ba pha.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Giáo trình Điện tử công suất, Giáo trình Vi xử lý của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; bảng thông số kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất linh kiện Microchip, Mitsubishi Electric, Allegro Microsystems.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối mô-đun hóa, phân tách rõ ràng giữa mạch điều khiển xử lý tín hiệu yếu và mạch động lực công suất cao:

                   [PIC16F886/887]                               v
                   [L298N + Động cơ]                             v
                   (Cơ cấu Tracking)                    [Mạch nghịch lưu 3 pha]
                                                        (dsPIC30F4011 + PS22056)
                                                                 v
                                                        [Tải động cơ 3 pha]

Kiến trúc phần cứng và các phân hệ chức năng

  1. Khối cảm biến và đo lường:
    • Đo điện áp: Sử dụng mạch cầu phân áp điện trở đưa mức điện áp cao của pin mặt trời và acquy về dải $0 \div 5\text{ V}$ tương thích ngõ vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC) của vi điều khiển.
    • Đo dòng điện: Tích hợp cảm biến dòng Hall ACS712-05B trên đường sạc acquy. Cảm biến hoạt động với nguồn 5VDC, thời gian đáp ứng $5\ \mu\text{s}$, điện trở nội $1{,}2\text{ m}\Omega$, độ nhạy ngõ ra $185\text{ mV/A}$. Tại dòng $0\text{ A}$, điện áp ra là $2{,}5\text{ V}$; dải điện áp $2{,}5 \div 5\text{ V}$ biểu diễn tuyến tính dòng nạp $0 \div 5\text{ A}$.
  2. Khối điều khiển trung tâm và định hướng Tracking:
    • Sử dụng vi điều khiển PIC16F886 và PIC16F887 để thu thập dữ liệu ADC, thực thi giải thuật bám nắng, điều khiển trạng thái sạc và xuất tín hiệu điều khiển động cơ DC qua IC cầu H L298N (dòng chịu tải tối đa 2A mỗi cầu).
    • Cơ cấu cơ khí xoay hướng pin được dẫn động bởi động cơ DC 24VDC có hộp số giảm tốc tỷ số 10:1 (tốc độ định mức 3500 vòng/phút).
    • Màn hình LCD ký tự 20x4 giao tiếp qua bus dữ liệu 8-bit ($D_0 \div D_7$) cùng các chân điều khiển RS, RW, E để hiển thị điện áp tấm pin, điện áp acquy, dòng sạc và chế độ hoạt động (tự động hoặc bằng tay).
  3. Khối chuyển đổi tăng áp DC-DC Boost:
    • Vi điều khiển PIC16F886 phát xung PWM tần số 40 kHz đóng ngắt tầng MOSFET công suất qua mạch đệm cách ly. Khối này đảm nhận nhiệm vụ nâng mức áp thấp từ acquy lên cấp điện áp một chiều cao ổn định cấp cho đầu vào bộ nghịch lưu.
  4. Khối nghịch lưu ba pha (Inverter Module):
    • Bộ điều khiển phát xung SPWM: Sử dụng vi điều khiển xử lý tín hiệu số 16-bit dsPIC30F4011 hoạt động ở tần số thạch anh 20 MHz. Tận dụng module Motor PWM tích hợp sẵn với 6 ngõ ra chia làm 3 cặp tín hiệu bù nhau ($PWM1L/H, PWM2L/H, PWM3L/H$) có chèn thời gian chết (dead-time) phần cứng để chống ngắn mạch cầu.
    • Mạch cách ly và tiền khuếch đại: Sử dụng optocoupler chuyên dụng TLP250 (điện áp cấp $10 \div 35\text{ VDC}$, thời gian trễ chuyển mạch xấp xỉ $0{,}15\ \mu\text{s} \div 0{,}5\ \mu\text{s}$) để cách ly hoàn toàn vi điều khiển với mạch động lực.
    • Mô-đun công suất thông minh IPM PS22056: Cấu trúc tích hợp 6 khóa IGBT định mức chịu áp lên đến 1200V, tích hợp sẵn mạch kích cổng (gate driver), khối bảo vệ thấp áp và ngắn mạch cho tầng dưới, có ngõ ra báo lỗi (chân FO) xuất xung cảnh báo khi xảy ra sự cố. Tín hiệu kích nhận mức logic 5V TTL/CMOS tích cực cao.
  5. Hệ thống tủ điện và mạch động lực:
    • Lắp đặt hoàn chỉnh bên trong tủ điện bảo vệ gồm các nút nhấn điều khiển, công tắc chuyển mạch chế độ, hệ thống rơ-le, contactor đóng ngắt nguồn xoay chiều ba pha bảo vệ động cơ.

Bảng thông số linh kiện bán dẫn và thiết bị chính trong hệ thống

Tên linh kiện / Thiết bị Chủng loại / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản Vai trò trong hệ thống
Vi điều khiển DSP dsPIC30F4011 Tần số 20 MHz; Flash 48 KB; RAM 2 KB; EEPROM 1 KB; 6 ngõ ra Motor PWM; 9 kênh ADC Lập trình thuật toán phát 6 kênh xung SPWM ba pha
Vi điều khiển 8-bit PIC16F886 / PIC16F887 Tần số 20 MHz; Flash 8 KB; RAM 368 Byte; EEPROM 256 Byte; 2 bộ CCP/PWM; 14 kênh ADC Đo lường điện áp, dòng điện, phát PWM 40 kHz, điều khiển Tracking
Mô-đun nghịch lưu IPM PS22056 Điện áp chịu đựng $\le 1200\text{ V}$; áp điều khiển driver 5V TTL/CMOS; áp kích IGBT 15VDC Cầu nghịch lưu 3 pha công suất, tích hợp bảo vệ ngắn mạch và thấp áp
Cảm biến dòng điện ACS712-05B Điện áp nuôi 5VDC; độ nhạy $185\text{ mV/A}$; thời gian đáp ứng $5\ \mu\text{s}$; điện trở nội $1{,}2\text{ m}\Omega$ Đo dòng điện sạc nạp vào bình acquy
Mạch lái động cơ DC L298N Tích hợp 2 cầu H; dòng cực đại 2A/cầu; áp tín hiệu $5 \div 7\text{ VDC}$; áp tải $5 \div 12\text{ VDC}$ Điều khiển đảo chiều động cơ bám hướng bức xạ mặt trời
Optocoupler kích van TLP250 Điện áp hoạt động $10 \div 35\text{ VDC}$; cách ly quang; tốc độ chuyển mạch cao Cách ly tín hiệu vi điều khiển và kích mở khóa công suất
MOSFET kênh N 70N06 Dòng xả liên tục cực đại $I_{D\max} = 70\text{ A}$; công suất tiêu tán $200\text{ W}$ Đóng ngắt công suất trong mạch tăng áp và băm xung
MOSFET kênh P IRF4905 Dòng cực đại $I_{D\max} = -74\text{ A}$; công suất tiêu tán $200\text{ W}$ Đóng ngắt bảo vệ và điều khiển sạc acquy
Động cơ chấp hành Động cơ DC 24V Điện áp định mức 24VDC; hộp giảm tốc tỷ số truyền 10:1 (3500 vòng/phút) Cơ cấu xoay tấm pin theo phương vị mặt trời
Màn hình hiển thị LCD 20x4 Giao tiếp song song 8-bit ($D_0 \div D_7$), điều khiển qua RS, RW, E Hiển thị thông số điện áp pin, áp acquy, dòng sạc

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc phát triển nguồn năng lượng sạch trong bối cảnh bức xạ mặt trời dồi dào tại Việt Nam. Tác giả khảo sát các hạn chế của hệ thống pin cố định và chỉ ra rằng phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp cơ cấu bám hướng mặt trời là giải pháp tối ưu nhằm tăng tối đa sản lượng điện thu được. Từ đó, chương xác định mục tiêu tổng thể, nhiệm vụ thiết kế 4 phân hệ (Tracking, sạc acquy, tăng áp, nghịch lưu 3 pha), chỉ rõ đối tượng nghiên cứu và cấu trúc 6 chương của bản đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống nền tảng lý thuyết chuyên ngành:

  • Phân tích nguyên lý MPPT dựa trên đặc tính I-V và P-V của pin quang điện.
  • Khái quát các sơ đồ biến đổi điện áp một chiều DC-DC (nguyên lý băm xung PWM điều chỉnh thời gian dẫn $t_{\text{ON}}$, sơ đồ đẩy kéo dùng biến áp xung ferit).
  • Khảo sát các cấu trúc nghịch lưu độc lập: nửa cầu, toàn cầu một pha dùng tiếp điểm cơ khí và chuyển đổi sang khóa bán dẫn có diode thu hồi năng lượng (chống quá áp cảm ứng từ tải R-L).
  • So sánh chi tiết hai phương pháp điều khiển nghịch lưu ba pha: phương pháp điều khiển biên độ 6 bước ($180^\circ$ và $120^\circ$) và phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM) triệt tiêu sóng hài bậc chẵn bằng kỹ thuật chọn số xung lẻ là bội của 3 trong mỗi bán kỳ.
  • Trình bày cấu tạo hóa học và chu trình nạp/xả của bình acquy chì-axit.
  • Giới thiệu chi tiết thông số kỹ thuật các linh kiện sử dụng trong đề tài: pin mặt trời, cảm biến Hall ACS712, IC cầu H L298N, vi điều khiển PIC16F886/PIC16F887, vi điều khiển dsPIC30F4011, các MOSFET công suất 70N06, IRF4905, opto TLP250, mô-đun công suất thông minh IPM PS22056, màn hình LCD 20x4 và các IC ổn áp LM7805, LM7815.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 đi sâu vào tính toán kỹ thuật và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng khối:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và làm rõ nguyên lý phối hợp giữa các khối chức năng.
  • Thiết kế mạch đo điện áp pin mặt trời và acquy thông qua cầu phân áp tương thích tầm đo ADC vi điều khiển.
  • Thiết kế mạch đo dòng điện nạp acquy sử dụng module ACS712 kết nối ngõ vào tương tự của vi điều khiển.
  • Thiết kế mạch sạc bình acquy có kiểm soát ngưỡng điện áp và dòng nạp.
  • Thiết kế mạch tăng áp DC-DC Boost và mạch kích van công suất.
  • Thiết kế mạch điều khiển động cơ DC định hướng tấm pin sử dụng IC L298N.
  • Thiết kế khối hiển thị LCD 20x4 và khối phát xung điều khiển sử dụng PIC16F886 kết hợp dsPIC30F4011.
  • Xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển: lưu đồ tạo xung PWM tần số 40 kHz, lưu đồ điều khiển MPPT bám nắng, lưu đồ đọc ADC đo áp pin và dòng sạc, lưu đồ điều khiển tự động / bằng tay và lưu đồ phát xung SPWM ba pha.
  • Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.

Chương 4: Thi công, lắp đặt hệ thống

Chương này mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

  • Thiết kế mạch in (PCB layout) và thi công thực tế mạch MPPT.
  • Thiết kế layout và gia công lắp ráp mạch phát xung PWM sử dụng vi điều khiển PIC16F886.
  • Thiết kế layout hai lớp và thi công bo mạch tăng áp DC-DC Boost (gồm hai phần mạch công suất Boost a và Boost b).
  • Thiết kế layout bo mạch phát xung SPWM sử dụng vi điều khiển dsPIC30F4011.
  • Thiết kế layout và thi công mạch nghịch lưu công suất sử dụng mô-đun IPM PS22056.
  • Thực hiện đấu nối dây hoàn chỉnh bên trong tủ điện điều khiển trung tâm, kết nối khối vi xử lý, mạch điều khiển động cơ ba pha qua hệ thống khởi động từ (Contactor) và cơ cấu khung đỡ cơ khí tấm pin mặt trời.

Chương 5: Kết quả, phân tích, tổng hợp

Chương 5 báo cáo kết quả kiểm thử thực nghiệm trên thiết bị đo và mô hình vận hành:

  • Kết quả hoạt động của mạch MPPT: Đo đạc và hiển thị trực quan thông số điện áp pin mặt trời và acquy trên màn hình LCD; ghi nhận dạng sóng xung PWM điều khiển quá trình sạc nạp.
  • Kết quả hoạt động của khối biến đổi DC-DC: Ghi nhận dạng sóng xung PWM chuẩn tần số 40 kHz phát ra từ chân điều khiển của PIC16F886 và dạng sóng kích mở tại cực cổng của 2 tầng MOSFET công suất.
  • Kết quả hoạt động của khối nghịch lưu ba pha: Khảo sát tín hiệu điều khiển SPWM xuất từ dsPIC30F4011 đưa vào mô-đun PS22056; ghi nhận dạng sóng điện áp trên phụ tải, kiểm chứng sự lệch pha $120^\circ$ chuẩn giữa các pha ($U-V, V-W, U-W$); thu nhận dạng sóng điện áp dây $U_{UV}, U_{VW}, U_{WU}$ hoàn chỉnh trên máy hiện sóng khi cấp nguồn vận hành động cơ xoay chiều ba pha.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc nhóm tác giả đã hoàn thành, khẳng định mô hình đã đáp ứng được các mục tiêu kỹ thuật đề ra ban đầu; đồng thời chỉ rõ các điểm còn hạn chế về công suất và nêu lên các định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm đạt được

  • Chế tạo thành công hệ thống phần cứng hoàn chỉnh gồm 5 bo mạch in độc lập: Bo mạch vi điều khiển đo lường và thuật toán MPPT, bo mạch tạo xung PWM 40 kHz dùng PIC16F886, bo mạch tăng áp DC-DC Boost, bo mạch phát xung SPWM dùng dsPIC30F4011 và bo mạch nghịch lưu công suất tích hợp mô-đun IPM PS22056.
  • Đo kiểm dạng sóng thực tế trên máy hiện sóng xác nhận:
    • Vi điều khiển PIC16F886 phát ổn định tín hiệu điều khiển xung PWM tần số 40 kHz với biên độ logic chuẩn, kích mở chuẩn xác cho hai tầng MOSFET công suất của bộ băm xung.
    • Vi điều khiển dsPIC30F4011 tính toán và phát thành công chùm xung điều chế độ rộng sin SPWM 6 kênh. Tín hiệu qua tầng đệm kích mở trực tiếp các van IGBT trong khối PS22056, tạo ra hệ thống điện áp dây ba pha cân bằng gồm $U_{UV}, U_{VW}, U_{WU}$ với góc lệch pha chuẩn $120^\circ$.
  • Mạch đo lường đọc chính xác tín hiệu tương tự từ cảm biến ACS712-05B và cầu phân áp, hiển thị thông số điện áp PV, điện áp acquy, dòng sạc tức thời lên màn hình LCD 20x4 và kích hoạt cơ cấu chấp hành định hướng giàn pin theo dữ liệu công suất tính toán.
  • Đấu nối và tích hợp trọn vẹn toàn bộ hệ thống vào tủ điện công nghiệp, có khả năng đóng cắt an toàn cho tải động cơ ba pha thông qua mạch khởi động từ Contactor.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Tích hợp thành công chu trình khép kín từ khâu thu nhận bức xạ quang điện tự bám hướng, nạp bình acquy có kiểm soát tham số dòng - áp đến khâu nghịch lưu độc lập tạo nguồn xoay chiều ba pha.
  • Việc ứng dụng mô-đun công suất thông minh IPM PS22056 kết hợp cùng dòng vi điều khiển số dsPIC30F4011 giúp tinh gọn đáng kể kích thước bo mạch nghịch lưu, tích hợp sẵn các cơ chế bảo vệ phần cứng (chống quá dòng, ngắn mạch, sụt áp) thay vì phải tự thiết kế phức tạp bằng các linh kiện rời rạc, từ đó nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống nghịch lưu công suất.
  • Đồ án cung cấp đầy đủ sơ đồ nguyên lý chi tiết, bản vẽ mạch in PCB và toàn bộ mã nguồn chương trình nhúng viết cho PIC16F886 và dsPIC30F4011 trong phần phụ lục, tạo thành bộ tài liệu thực nghiệm kỹ thuật hoàn chỉnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Thuật toán MPPT trong đồ án mới áp dụng phương pháp cơ bản dựa trên việc đo điện áp - dòng điện, tính toán công suất tức thời và điều khiển động cơ quay tấm pin cơ học theo hướng công suất cực đại; chưa tích hợp các thuật toán bám điểm MPP điện tử nâng cao (như Perturb and Observe - P&O hoặc Incremental Conductance) trực tiếp trên khâu chuyển mạch bộ biến đổi DC-DC.
  • Hệ thống mới được thử nghiệm và vận hành ở quy mô mô hình trong điều kiện phòng thí nghiệm; các phân tích định lượng về hiệu suất chuyển đổi toàn phần, độ sụt áp dưới các mức tải nặng khác nhau và hệ số méo hài tổng (THD) của dạng sóng điện áp dây ba pha chưa được đo đạc và thống kê chuyên sâu bằng thiết bị phân tích chất lượng điện năng chuyên dụng.

Hướng phát triển tiếp

  • Nâng cao công suất định mức của toàn hệ thống để có thể cấp nguồn thực tế cho các phụ tải tiêu thụ điện năng quy mô lớn hơn trong hộ gia đình hoặc xưởng sản xuất nhỏ.
  • Tối ưu hóa và nâng cấp giải thuật MPPT nhanh và chính xác hơn, kết hợp cả bám hướng cơ học và bám điểm cực đại điện tử trên mạch DC-DC để thích ứng kịp thời khi cường độ bức xạ biến thiên đột ngột do thời tiết.
  • Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển nghịch lưu ba pha có khả năng biến đổi tần số và điện áp vô cấp theo tỷ lệ $V/f$ để ứng dụng chuyên sâu cho việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, hoặc phát triển hệ thống hòa trực tiếp vào lưới điện quốc gia.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều đối tượng nghiên cứu và kỹ thuật:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử và Tự động hóa: Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận và các bước triển khai thực tế từ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý đến kỹ thuật thi công mạch in (PCB) cho các đề tài tốt nghiệp liên quan đến điện tử công suất, năng lượng tái tạo và kỹ thuật vi xử lý.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nguồn và biến tần độc lập: Là tài liệu tham khảo chi tiết về mạch ứng dụng của mô-đun công suất thông minh IPM PS22056, giải pháp cách ly điều khiển van IGBT bằng opto TLP250 và thiết kế tầng lọc/tăng áp DC-DC dạng Push-Pull và Boost.
  • Các phân phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Sơ đồ mạch đo dòng và áp (Mục 3.2.1 và 3.2.2): Hướng dẫn chi tiết cách kết nối cảm biến Hall ACS712 và cầu phân áp đưa tín hiệu về ADC vi điều khiển.
    • Mạch lực và kích van nghịch lưu ba pha (Mục 3.2.7 và 4.1.3): Cung cấp sơ đồ đấu nối chuẩn của IPM PS22056 với các nguồn cấp độc lập và tín hiệu cảnh báo lỗi phần cứng.
    • Phần phụ lục chương trình điều khiển (Phụ lục 1, 2, 3): Mã nguồn chi tiết về thuật toán đo đạc hiển thị, chương trình phát xung PWM 40 kHz trên PIC16F886 và chương trình cấu hình module Motor PWM phát sóng sin SPWM ba pha trên dsPIC30F4011.

Câu hỏi thường gặp

1. Những dòng vi điều khiển nào được sử dụng trong hệ thống và phân chia chức năng cụ thể ra sao?
Hệ thống sử dụng hai nhóm vi điều khiển của hãng Microchip:

  • PIC16F886 và PIC16F887: Đảm nhận nhiệm vụ đo lường tín hiệu tương tự (điện áp PV, điện áp acquy, dòng nạp qua cảm biến ACS712), thực thi giải thuật bám hướng MPPT, điều khiển động cơ DC xoay tấm pin qua cầu H L298N, xuất dữ liệu lên LCD 20x4 và phát xung PWM tần số 40 kHz điều khiển mạch băm xung tăng áp Boost.
  • dsPIC30F4011: Là bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng, chịu trách nhiệm tính toán bảng sin và phát chùm 6 xung SPWM ba pha qua module Motor PWM ($PWM1L/H, PWM2L/H, PWM3L/H$) với góc lệch pha chuẩn $120^\circ$ để điều khiển mô-đun IPM PS22056.

2. Phương pháp điều khiển nghịch lưu ba pha nào được chọn và yêu cầu kỹ thuật của phương pháp này là gì?
Đề tài sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung theo hàm sin (Sinusoidal PWM - SPWM). Phương pháp này so sánh sóng mang tam giác tần số cao với 3 sóng sin chuẩn lệch pha nhau $120^\circ$. Để đảm bảo điện áp ba pha ở đầu ra cân bằng và triệt tiêu hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc chẵn, số lượng xung điều khiển trong mỗi bán kỳ bắt buộc phải là số lẻ và đồng thời phải là bội số của 3.

3. Mô-đun công suất thông minh IPM PS22056 có những thông số và tính năng bảo vệ nổi bật nào?
PS22056 là mô-đun nghịch lưu ba pha tích hợp các khóa IGBT có khả năng chịu đựng điện áp lên đến 1200V. Mô-đun tích hợp sẵn mạch điều khiển cổng (gate driver), nhận tín hiệu kích tương thích mức logic 5V TTL/CMOS tích cực cao và nguồn nuôi kích IGBT 15VDC. Về an toàn phần cứng, mô-đun tích hợp sẵn mạch bảo vệ thấp áp cho cả tầng trên và tầng dưới, bảo vệ ngắn mạch cho tầng dưới, đồng thời trang bị chân báo lỗi FO tự động xuất xung cảnh báo khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc sụt áp.

4. Khối đo dòng điện sạc acquy hoạt động dựa trên cảm biến nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Khối đo dòng sạc sử dụng module cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall ACS712-05B mắc nối tiếp với đường nạp vào acquy. Cảm biến hoạt động với điện áp 5VDC, thời gian đáp ứng $5\ \mu\text{s}$, điện trở dây dẫn nội chỉ $1{,}2\text{ m}\Omega$ và độ nhạy ngõ ra là $185\text{ mV/A}$. Khi không có dòng điện đi qua, ngõ ra giữ mức $2{,}5\text{ V}$; khi có dòng nạp một chiều từ $0 \div 5\text{ A}$, điện áp ngõ ra biến thiên tuyến tính trong khoảng $2{,}5 \div 5\text{ V}$ đưa trực tiếp vào kênh ADC của vi điều khiển.

5. Cơ chế theo dõi bám hướng mặt trời (Tracking) được hiện thực hóa như thế nào trong đề tài?
Hệ thống sử dụng phương pháp đo trực tiếp điện áp và dòng điện của tấm pin quang điện để tính toán công suất phát ra tức thời. Dựa trên việc so sánh giá trị công suất đo được với ngưỡng công suất cực đại, vi điều khiển phát tín hiệu kích hoạt IC cầu H L298N cấp nguồn đảo chiều cho động cơ DC 24V (có gắn hộp giảm tốc 10:1, tốc độ 3500 vòng/phút) để xoay khung giàn pin cơ học chuyển động bám sát theo vị trí có cường độ bức xạ cao nhất trong ngày.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống nghịch lưu ba pha ứng dụng công nghệ MPPT phục vụ sạc acquy từ nguồn quang điện. Nghiên cứu giải quyết hoàn chỉnh chuỗi chuyển đổi công suất từ cơ cấu cơ khí bám hướng nắng tự động, mạch băm xung tăng áp tần số cao 40 kHz, mạch nạp acquy có kiểm soát thông số đến khối nghịch lưu áp ba pha sử dụng kỹ thuật SPWM trên vi điều khiển dsPIC30F4011 và mô-đun IPM PS22056. Các kết quả dạng sóng đo đạc thực nghiệm trên máy hiện sóng đã minh chứng sự ổn định, tính chính xác về góc lệch pha $120^\circ$ và khả năng vận hành thực tế của toàn bộ hệ sinh thái phần cứng đã chế tạo.