Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền động điện xoay chiều điện áp cao, cũng như trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng. Trong các hệ thống biến đổi điện tử công suất, bộ nghịch lưu điện áp đóng vai trò trọng tâm trong việc chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều để cung cấp cho các tải tiêu thụ, tiêu biểu là động cơ một pha và ba pha. Nhằm đáp ứng nhu cầu điều khiển các phụ tải có công suất lớn, yêu cầu đặt ra là phải nâng cao giá trị điện áp và dòng điện định mức. Tuy nhiên, khả năng chịu đựng điện áp và dòng điện của các linh kiện bán dẫn công suất luôn có giới hạn vật lý nhất định.

Để giải quyết vấn đề giới hạn chịu đựng của linh kiện, kỹ thuật ghép nối tiếp các phần tử bán dẫn đã hình thành nên cấu trúc các bộ nghịch lưu áp đa bậc (Multilevel Inverter) nhằm thay thế cho bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống. Mạch nghịch lưu hai bậc truyền thống bộc lộ nhược điểm là chỉ tạo ra mức điện áp thấp, chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao và không đáp ứng tốt yêu cầu vận hành của các tải công suất lớn. Ngược lại, bộ nghịch lưu áp đa bậc cấu trúc ghép tầng (Cascade Inverter) mang lại nhiều ưu thế: nâng cao mức công suất, cải thiện chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra, giảm tốc độ biến thiên điện áp ($dv/dt$) và giảm ứng suất điện áp đặt lên từng khóa bán dẫn. Mặc dù cấu trúc này đòi hỏi số lượng linh kiện điện tử nhiều hơn và giải thuật điều khiển phức tạp hơn, nhưng việc kết hợp nguồn năng lượng tái tạo từ pin mặt trời và bộ tích trữ điện để cấp nguồn cho nghịch lưu đa bậc mang lại giá trị thực tiễn cao trong xu hướng sử dụng năng lượng sạch.

Đề tài "Thiết kế và thi công bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc sử dụng pin mặt trời" do sinh viên Nguyễn Thanh Tuấn và Võ Văn Chương thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Nhân Bồn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 01/2020) được xác định với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời và bình tích trữ điện (Acquy).
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về bộ nghịch lưu áp và các dạng cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc, trọng tâm là cấu trúc ghép tầng cascade 5 bậc một pha.
  3. Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng thuật toán điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) và dạng sóng ngõ ra của bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc.
  4. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh các module mạch phần cứng bao gồm: mạch nguồn ổn áp DC, mạch kích xung driver, mạch tăng áp DC-DC Boost, mạch công suất sử dụng van IGBT, và mạch đế giao tiếp cho card DSP.
  5. Ứng dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 và DSP TMS320F28379D của hãng Texas Instruments để lập trình nhúng thuật toán điều khiển, vận hành thực nghiệm trên tải đèn và đối chứng kết quả với mô phỏng trên máy hiện sóng (Oscilloscope).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống bộ nghịch lưu áp 1 pha 5 bậc cấu trúc cascade, mạch tăng áp DC-DC, các bộ vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335, TMS320F28379D, cùng nguồn cấp từ pin quang điện và ắc quy. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm, kiểm thử dạng sóng điện áp trên tải đèn sợi đốt/tải trở thuần và điều khiển bằng phương pháp Sin PWM nhúng từ môi trường Matlab/Simulink.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng hệ thống lý thuyết về nguồn năng lượng quang điện, lưu trữ điện hóa, lý thuyết biến đổi điện tử công suất và kiến trúc xử lý tín hiệu số:

  • Hệ thống pin năng lượng mặt trời và lưu trữ: Tấm pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn silic tinh thể có cấu tạo lớp tiếp xúc P-N, chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng một chiều. Bộ tích trữ điện (Ắc quy axit-chì 12V gồm 6 ngăn, mỗi ngăn 2,1V) thực hiện quá trình phóng/nạp thông qua phản ứng hóa học thuận nghịch: $$\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightleftharpoons 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$
  • Cơ sở lý thuyết bộ nghịch lưu áp đa bậc: Khảo sát ba cấu trúc nghịch lưu đa bậc điển hình gồm:
    • Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped): Phân chia nguồn DC bằng chuỗi tụ điện nối tiếp, sử dụng các diode kẹp để giữ mức điện áp. Cấu trúc này có nhược điểm khó cân bằng điện áp trên các tụ khi số bậc lớn hơn 3 và quan hệ số lượng diode tăng theo phương trình bậc hai.
    • Dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor): Sử dụng các tụ điện bay lơ lửng để kẹp điện áp, đòi hỏi quy trình nạp trước cho tụ phức tạp.
    • Dạng ghép tầng (Cascade H-Bridge Inverter): Kết hợp nối tiếp các bộ nghịch lưu áp cầu H một pha. Với $n$ bộ cầu H trên một pha, số bậc điện áp ngõ ra đạt được là $(2n + 1)$ bậc. Đối với cấu trúc 5 bậc ($n = 2$), điện áp ngõ ra tổng hợp từ hai cầu H có 5 mức: $-2V_{dc}, -V_{dc}, 0, +V_{dc}, +2V_{dc}$. Cấu trúc này giúp giảm tần số đóng ngắt trên mỗi module $n$ lần, giảm tốc độ biến thiên $dv/dt$ và giảm điện áp đặt lên linh kiện $0{,}57n$ lần, cho phép dùng IGBT chịu điện áp thấp hơn.
  • Nguyên tắc điều chế và đóng cắt: Sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM) dựa trên việc so sánh sóng sin mẫu với sóng mang tam giác tần số cao. Quy tắc kích đóng các khóa trên cùng một nhánh cầu H phải đảm bảo tính đối nghịch ($S_1 + S_4 = 1$) để ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng trùng dẫn gây ngắn mạch nguồn DC.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:
1. Tính toán lý thuyết mạch điện tử công suất và lựa chọn linh kiện bán dẫn.
2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) cho các khối chức năng phần cứng.
3. Mô phỏng toán học và kiểm tra thuật toán trên Matlab/Simulink (Simscape Electrical).
4. Lập trình nhúng mã điều khiển tự động xuống bộ xử lý DSP bằng Embedded Coder Support Package.
5. Thực nghiệm đo đạc các thông số điện áp và thu thập dữ liệu dạng sóng bằng dao động ký Oscilloscope.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các tài liệu kỹ thuật, bảng thông số (datasheet) của nhà sản xuất Texas Instruments về vi điều khiển TMS320F28335, TMS320F28379D, thông số van bán dẫn IGBT 25N120NTD, kết quả mô phỏng từ phần mềm Matlab 2017b và số liệu đo kiểm thực tế từ hệ thống phần cứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế và chế tạo bao gồm các phân hệ phần cứng mạch lực, mạch điều khiển và công cụ phần mềm nhúng:

Phân hệ / Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ chính Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Nguồn sơ cấp & Tích trữ Tấm pin mặt trời, Acquy 12V, Bộ sạc Cung cấp nguồn DC 12V ban đầu; acquy 6 ngăn ổn định điện áp cấp cho hệ thống.
Mạch tăng áp DC-DC (Boost) Cuộn cảm, Tụ lọc, Van chuyển mạch Nâng điện áp từ acquy/pin mặt trời lên điện áp DC bus yêu cầu; vận hành ở chế độ PWM đóng cắt liên tục.
Mạch nguồn phụ trợ Biến áp, Cầu Diode, IC 7815, IC 7905 Tạo các mức điện áp ổn định $+15\text{V}$ và $-5\text{V}$ để cung cấp cho mạch kích cách ly driver.
Mạch kích xung Driver Mạch cách ly quang/opto, khuếch đại xung Gồm 4 cặp kênh kích đối nghịch, cung cấp dòng nạp/xả cực cổng (Gate) cho 8 van IGBT.
Mạch công suất nghịch lưu 8 $\times$ IGBT 25N120NTD, Cầu H ghép tầng Ghép nối tiếp 2 cầu H 1 pha; chịu dòng và áp cao, tạo 5 mức điện áp xoay chiều ngõ ra.
Card điều khiển Boost DSP TMS320F28379D (Texas Instruments) 32-bit Dual-Core @ 200 MHz (800 MIPS), điều khiển vòng kín PID và phát xung PWM cho mạch boost.
Card điều khiển nghịch lưu DSP TMS320F28335 (Texas Instruments) 32-bit CPU @ 150 MHz, phát 18 ngõ ra ePWM/HRPWM, thực thi thuật toán điều chế Sin PWM.
Môi trường phần mềm Matlab 2017b, Simulink, CCS, controlSUITE Xây dựng mô hình khối, biên dịch và nhúng tự động chương trình điều khiển xuống DSP.

Quy trình triển khai kỹ thuật được thực hiện tuần tự: Khởi tạo chương trình trên Simulink $\rightarrow$ Cấu hình các khối chức năng ngoại vi của dòng vi xử lý C2000 $\rightarrow$ Kiểm tra kết nối ngoại vi (test nhấp nháy LED trên chân GPIO của bo mạch) $\rightarrow$ Nhúng thuật toán PID điều khiển điện áp mạch boost vào card TMS320F28379D $\rightarrow$ Nhúng giải thuật điều chế Sin PWM vào card TMS320F28335 để kích mở 8 van IGBT theo đúng góc chuyển mạch $\rightarrow$ Kết nối tải bóng đèn và thu nhận dạng sóng ngõ ra trên máy đo Oscilloscope.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của điện tử công suất trong điều khiển truyền động điện và các thiết bị công nghiệp. Tác giả phân tích nhu cầu nâng cao điện áp định mức cho các tải công suất lớn trong bối cảnh giới hạn chịu đựng của linh kiện bán dẫn. Giải pháp mắc nối tiếp các bộ biến đổi cầu H hình thành cấu trúc nghịch lưu đa bậc cascade được lựa chọn nhờ khả năng giảm sóng hài, giảm điện áp chịu đựng trên mỗi khóa bán dẫn và nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra so với nghịch lưu 2 bậc. Chương này xác định rõ mục tiêu thiết kế, thi công bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc sử dụng pin mặt trời kết hợp bộ xử lý DSP TMS320F28335 và TMS320F28379D, đồng thời nêu bật ý nghĩa ứng dụng của mô hình trong công tác đào tạo và nghiên cứu thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện cho đề tài:

  • Phân tích cấu tạo, nguyên lý của hệ thống pin mặt trời (mô hình hòa lưới và mô hình độc lập), cấu tạo pin quang điện silic và cơ chế phóng nạp của bình ắc quy chì-axit 12V.
  • Trình bày khái niệm, phân loại bộ nghịch lưu áp và đi sâu so sánh ba cấu trúc nghịch lưu đa bậc: Diode clamped NPC, Flying Capacitor và Cascade Inverter.
  • Phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của mạch cầu H 1 pha và cấu trúc ghép tầng 2 cầu H tạo điện áp 5 bậc ($-2V_{dc}, -V_{dc}, 0, +V_{dc}, +2V_{dc}$) với biểu thức điện áp pha $V_{x_out} = V_{x01} + V_{x02}$.
  • Khảo sát chi tiết kiến trúc phần cứng của hai dòng vi xử lý:
    • DSP TMS320F28335: Công nghệ CMOS, tần số 150 MHz, bộ nhớ Flash 256K$\times$16, SARAM 34K$\times$16, 6 kênh DMA, hỗ trợ 18 ngõ ra ePWM và 6 ngõ ra HRPWM với độ phân giải 150 ps.
    • DSP TMS320F28379D: Họ C2000 Delfino, kiến trúc CPU kép 32-bit kết hợp FPU và TMU đạt tốc độ 200 MHz (800 MIPS), bộ nhớ Flash 512K$\times$16, SARAM 102K$\times$16, 169 chân GPIO, 24 ngõ ra ePWM, 4 bộ ADC 12/16-bit tốc độ cao và tích hợp mạch nạp XDS100v2 JTAG.

Chương 3: Thiết kế và thi công mạch phần cứng

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và chế tạo các khối mạch vật lý:

  • Mạch nguồn ổn áp DC: Sử dụng biến áp nguồn, cầu chỉnh lưu diode, tụ lọc san phẳng và các IC ổn áp 7815 ($+15\text{V}$), 7905 ($-5\text{V}$) để tạo nguồn nuôi phân cực cho mạch driver.
  • Mạch xung kích driver: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch kích cách ly gồm 4 cặp khóa công suất đối nghịch, đảm bảo quá trình nạp xả dòng điện cực cổng IGBT diễn ra dứt khoát, chống hiện tượng mở van ngoài ý muốn.
  • Mạch công suất IGBT: Lắp ráp và bố trí 8 van IGBT 25N120NTD trên các phiến tản nhiệt, kết nối theo cấu trúc 2 cầu H mắc nối tiếp.
  • Mạch tăng áp DC/DC Boost: Tính toán và thi công mạch boost gồm cuộn cảm, tụ điện, mạch nguồn cấp, mạch kích riêng và mạch đế cắm card DSP TMS320F28379D.
  • Tích hợp hệ thống: Kết nối bộ điều khiển sạc mặt trời, bình ắc quy, các mạch nguồn, mạch kích, mạch công suất và card vi xử lý thành một mô hình hoàn chỉnh.

Chương 4: Phần mềm sử dụng và chương trình điều khiển

Chương 4 tập trung vào quy trình xây dựng phần mềm điều khiển trên môi trường Matlab 2017b:

  • Cài đặt và cấu hình các gói công cụ bổ trợ: Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors, TI Delfino F2833X, TI controlSUITE, Code Composer Studio (CCS) và TI C200Ware.
  • Thiết lập mô hình kiểm tra kết nối (test card) bằng cách cấu hình khối Digital Output xuất tín hiệu điều khiển đèn LED chớp tắt trên các chân GPIO của DSP TMS320F28335 và TMS320F28379D.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển điện áp vòng kín cho mạch tăng áp boost (sử dụng bộ điều khiển PID và khối phát xung PWM) nhúng vào DSP TMS320F28379D.
  • Thiết kế chương trình điều chế xung Sin PWM trên Simulink: tạo các khối so sánh sóng sin mẫu tần số 50 Hz với sóng mang tam giác tần số cao để xuất trực tiếp các xung kích ePWM nhúng vào bộ nhớ card DSP TMS320F28335.

Chương 5: Mô phỏng và so sánh kết quả với thực tế với tải đèn

Chương 5 trình bày toàn bộ số liệu và đồ thị kết quả:

  • Mô phỏng mạch boost: Đồ thị đáp ứng điện áp ngõ ra của mạch tăng áp cho thấy bộ điều khiển PID giúp điện áp ngõ ra bám sát giá trị điện áp đặt trước.
  • Mô phỏng nghịch lưu 5 bậc: Mô phỏng trên Matlab ở chế độ không tải và tải trở thuần, ghi nhận dạng sóng điện áp ngõ ra hình bậc thang gồm 5 mức rõ rệt, dạng sóng tiến sát hình sin.
  • Thực nghiệm phần cứng:
    • Bảng số liệu thực nghiệm mạch boost ghi nhận các mức điện áp đo đạc thực tế (Bảng 5.1).
    • Thu thập dạng sóng điện áp ngõ ra trên máy hiện sóng Oscilloscope ở chế độ không tải (Bảng 5.2, Hình 5.9) và chế độ có tải bóng đèn (Bảng 5.3, Hình 5.10).
    • So sánh cho thấy dạng sóng thực tế có 5 bậc đối xứng, độ mịn cao, biên độ và tần số tương thích chặt chẽ với kết quả mô phỏng trên Simulink.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, khẳng định mô hình đã vận hành ổn định và đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra, đồng thời vạch ra các định hướng nghiên cứu tiếp theo để mở rộng đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thiết kế, chế tạo và lắp ráp thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm: khối mạch nguồn ổn áp ($+15\text{V}$, $-5\text{V}$), khối kích driver cách ly, mạch công suất nghịch lưu sử dụng 8 van IGBT 25N120NTD, mạch tăng áp Boost DC-DC, bộ sạc năng lượng mặt trời và hệ thống bo mạch giao tiếp cho 2 card DSP.
  • Ứng dụng thành công phần mềm Matlab 2017b cùng gói Embedded Coder để cấu hình, biên dịch và nạp trực tiếp thuật toán điều khiển xuống vi xử lý mà không cần viết mã lệnh C/Assembly thủ công phức tạp.
  • Điều khiển ổn định điện áp ngõ ra mạch tăng áp DC-DC thông qua giải thuật PID nhúng trên card xử lý kép DSP TMS320F28379D (200 MHz).
  • Tạo thành công dạng sóng điện áp xoay chiều 1 pha 5 bậc ($-2V_{dc}, -V_{dc}, 0, +V_{dc}, +2V_{dc}$) trên tải đèn sợi đốt bằng thuật toán Sin PWM nhúng trên card DSP TMS320F28335 (150 MHz).
  • Kiểm chứng thực nghiệm qua máy đo Oscilloscope: Dạng sóng điện áp ngõ ra thực tế có độ mịn cao, ít nhiễu sóng hài bậc cao, các bậc thang điện áp chuyển mạch rõ ràng và bám sát chính xác các thông số trên mô hình mô phỏng Simulink.

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa phương pháp kết hợp giữa công cụ mô phỏng trực quan Matlab/Simulink và phần cứng xử lý tín hiệu số chuyên dụng của Texas Instruments (TMS320F28335 và TMS320F28379D) để điều khiển các cấu trúc biến đổi điện tử công suất phức tạp.
  • Xây dựng một bộ mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh về mạch biến đổi DC-AC đa bậc sử dụng năng lượng mặt trời, có thể ứng dụng trực tiếp làm thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu giải thuật tự động hóa và điện tử công suất cho sinh viên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô một pha và thử nghiệm trên tải nhẹ/tải trở (bóng đèn sợi đốt), chưa mở rộng kiểm thử trên các đối tượng tải công nghiệp mang tính cảm kháng lớn như động cơ xoay chiều công suất cao.
  • Cấu trúc ghép tầng cascade đòi hỏi các nguồn DC cách ly độc lập cho từng cầu H, làm tăng số lượng biến áp/nguồn cấp và tăng kích thước tổng thể của hệ thống phần cứng.
  • Chưa tích hợp các giải thuật dò điểm công suất cực đại (MPPT) chuyên sâu cho tấm pin mặt trời trên bộ chuyển đổi DC-DC.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng cấu trúc mạch nghịch lưu từ hệ thống một pha lên hệ thống ba pha đa bậc (5 bậc hoặc 7 bậc) để điều khiển trực tiếp các loại động cơ xoay chiều công nghiệp.
  • Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp điều chế và giải thuật điều khiển nâng cao như: Điều chế vector không gian (Space Vector Modulation), điều chế SPWM cải biến (Modified SPWM), hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Logic) trên nền tảng DSP.
  • Tích hợp thuật toán MPPT hoàn chỉnh vào bộ biến đổi DC-DC nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu nhận năng lượng từ tấm pin mặt trời trong các điều kiện bức xạ thay đổi.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các đối tượng và nội dung cụ thể sau:

  • Đối tượng tham khảo:
    • Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Năng lượng tái tạo.
    • Kỹ sư thiết kế phần cứng điện tử công suất, kỹ sư phát triển hệ thống biến tần (Inverter) và bộ lưu điện (UPS).
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Thiết kế mạch phần cứng (Chương 3): Sơ đồ nguyên lý chi tiết của mạch nguồn nuôi cách ly ($+15\text{V}/-5\text{V}$), mạch kích driver cho khóa IGBT và mạch tăng áp DC-DC Boost.
    • Quy trình nhúng mã nguồn Matlab sang DSP (Chương 4): Các bước cấu hình chi tiết từ cài đặt gói hỗ trợ phần cứng Embedded Coder Support Package for TI C2000, thiết lập khối ngoại vi GPIO, ePWM trên Simulink đến việc kết nối qua phần mềm Code Composer Studio.
    • Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm (Chương 5): Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng đối chứng và kỹ thuật đo đạc dạng sóng điện áp đa bậc trên máy hiện sóng Oscilloscope.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng những loại card DSP nào và phân chia chức năng điều khiển như thế nào?

Đề tài sử dụng hai dòng vi xử lý DSP thuộc họ C2000 của hãng Texas Instruments:

  • Card DSP TMS320F28379D: Sử dụng cấu trúc CPU kép 32-bit hoạt động ở tần số 200 MHz, được dùng để lập trình thuật toán điều khiển điện áp vòng kín (bộ điều khiển PID) và phát xung PWM cho mạch tăng áp DC-DC Boost.
  • Card DSP TMS320F28335: Hoạt động ở tần số 150 MHz, được dùng để thực thi giải thuật điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phát các xung ePWM điều khiển góc đóng ngắt cho 8 van IGBT của bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc.

2. Cấu trúc mạch nghịch lưu 1 pha 5 bậc trong đồ án được thiết kế gồm bao nhiêu van bán dẫn và tạo các mức áp nào?

Bộ nghịch lưu được thiết kế theo cấu trúc ghép tầng (Cascade Inverter) một pha, gồm 2 mạch cầu H ghép nối tiếp với nhau. Mỗi mạch cầu H sử dụng 4 van bán dẫn IGBT (mã hiệu 25N120NTD) kèm diode đối song song, tổng cộng toàn mạch sử dụng 8 van IGBT. Mỗi cầu H được cấp một nguồn DC riêng ($V_{dc}$) tạo ra 3 mức áp ($-V_{dc}, 0, +V_{dc}$), tổng hợp điện áp ngõ ra của 2 cầu H ghép nối tiếp tạo ra 5 bậc điện áp: $-2V_{dc}, -V_{dc}, 0, +V_{dc}, +2V_{dc}$.

3. Quy tắc kích đóng các khóa công suất trong một nhánh cầu H được quy định như thế nào để đảm bảo an toàn?

Các khóa trên cùng một nhánh của bộ nghịch lưu phải tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc kích đóng đối nghịch: $S_1 + S_4 = 1$ (khi một khóa đóng thì khóa còn lại trên cùng nhánh bắt buộc phải ngắt). Trạng thái cả hai khóa trên cùng một nhánh đồng thời kích đóng sẽ gây ra hiện tượng trùng dẫn dẫn đến ngắn mạch trực tiếp nguồn điện áp một chiều xuống đất (GND), làm hư hỏng thiết bị bán dẫn.

4. Phần mềm và công cụ nào được sử dụng để lập trình và nhúng thuật toán xuống các card điều khiển DSP?

Tác giả sử dụng phần mềm Matlab 2017b kết hợp Simulink và gói thư viện bổ trợ Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors. Công cụ này cho phép xây dựng giải thuật dưới dạng sơ đồ khối trực quan (khối Constant, Digital Output, ePWM...), sau đó tự động biên dịch và nạp mã điều khiển xuống bộ nhớ của DSP thông qua phần mềm Code Composer Studio và giao tiếp nạp JTAG XDS100v2.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành toàn diện việc thiết kế, thi công và điều khiển bộ biến đổi nguồn DC-AC một pha 5 bậc cấu trúc ghép tầng cascade sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và ắc quy 12V. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink và hai dòng vi xử lý chuyên dụng DSP TMS320F28335, TMS320F28379D của hãng Texas Instruments, nhóm tác giả đã làm chủ quy trình phát xung điều chế Sin PWM và điều khiển vòng kín cho mạch lực. Kết quả thực nghiệm trên tải đèn được đo kiểm bằng máy hiện sóng Oscilloscope đã chứng minh dạng sóng điện áp ngõ ra xuất hiện đủ 5 bậc thang rõ rệt, sóng mịn, giảm thiểu sóng hài và bám sát kết quả mô phỏng lý thuyết. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp một mô hình phần cứng hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và thực hành trong lĩnh vực điện tử công suất và tự động hóa.