Đồ án Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi

Trong những năm gần đây, các tấm pin năng lượng mặt trời dần được sử dụng rộng rãi, các tuabin năng lượng gió cũng bắt đầu được sử dụng phổ biến hơn ở các tỉnh thành Việt Nam. Việc sử dụng các bộ nghịch lưu là rất cần thiết để tận dụng các nguồn năng lượng sạch này nhằm phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của mọi nhà, qua đó sẽ giảm được đáng kể chi phí điện năng tiêu thụ về lâu dài. Đề tài thực hiện xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ. Mô hình được thực hiện dựa trên việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 kết hợp với vi mạch FPGA để lập trình tạo ra các xung kích đóng, mở các IGBT tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho tải. Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài dựa trên những yếu tố sau: - Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã công bố. - Có tính kế thừa những phần cứng đã thiết kế từ các công trình nghiên cứu trước đó của phòng thí nghiệm và từ đó tiếp tục đào sâu nghiên cứu để phát triển thêm các tính năng mới. - Dựa vào lý thuyết tiến hành mô phỏng bằng phần mềm và xây dựng mô hình chạy thực tế. - Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đánh giá. Việc mô phỏng cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc mới đã được thực hiện trên phần mềm Psim, và để kiểm tra lại các kết quả này thì một mô hình thử nghiệm đã được nhóm thực hiện đề tài xây dựng tại phòng thí nghiệm. Quá trình thực nghiệm bộ nghịch lưu cũng đã được tiến hành ở cả hai điều kiện hoạt động của mạch: điều kiện hoạt động bình thường và trong điều kiện gặp sự cố mất pha A. Các dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu quan sát được từ thực nghiệm có hình dạng giống với lý thuyết mô phỏng khi hoạt động trong cả hai điều kiện bình thường và xảy ra sự cố. Về mặt biên độ thì có sự sai lệch tương đối khi so với lý thuyết, điều này có thể chấp nhận được vì các linh kiện ngoài thực tế không thể đạt được các trạng thái và thông số lý tưởng như trong lý thuyết mô phỏng. Ngoài ra, nhiễu tác động đến các xung kích cũng làm cho IGBT phát nóng làm giảm hiệu suất làm việc của linh kiện, qua đó ảnh hưởng đến kết quả thực nghiệm

pdf108 trang | Chia sẻ: thientruc20 | Lượt xem: 405 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 13141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp. - Giảm nguồn đầu vào và số lượng các phần tử LC trong mạng trở kháng trung gian. - Bộ nghịch lưu có khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ. 2. Nội dung thực hiện: - Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”. - Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển. - Viết chương trình điều khiển và xây dựng mô hình chạy thực tế. - Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đưa ra đánh giá. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Đỗ Đức Trí CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 19 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Thái Duy Lớp: 13141DT2B MSSV: 13141039 Họ tên sinh viên 2: Lê Minh Quý Lớp: 13141DT1A MSSV: 13141266 Tên đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 Nhận đề tài và tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài. 2 Cài đặt, làm quen, sử dụng các phần mềm liên quan đến việc thực hiện đồ án tốt nghiệp. 3 Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu giải thuật điều chế. Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Psim. 4 Tiến hành vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, vẽ mạch in. 5 Thi công mạch in. 6 Hoàn thiện mạch in. Nghiên cứu hoàn thiện giải thuật. 7 Thiết kế mô hình hệ thống. Hoàn thiện các module. 8 Thực hiện thi công mô hình hệ thống. Tối ưu kích thước hệ thống. 9 Cho chạy mô hình, kiểm tra khi hệ thống chạy chưa ổn định, xuất hiện lỗi. 10 Tiếp tục chạy mô hình, tìm và khắc phục lỗi khi hệ thống chạy sai. 11 Tìm hiểu về giải thuật khắc phục sự cố khi hệ thống bị sự cố. Viết báo cáo. 12 Chạy thực nghiệm. Viết báo cáo. 13 Viết báo cáo. 14 Viết báo cáo. 15 Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Đỗ Đức Trí và có tính kế thừa từ những công trình trước đó của Phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao - D405 trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Đề tài được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tài liệu, bài báo, tạp chí đã được công bố trên các phương tiện truyền thông. Mọi tài liệu tham khảo đều được nhóm ghi nguồn đầy đủ trong phần phụ lục tài liệu tham khảo của đề tài. Nhóm thực hiện đề tài Lê Minh Quý – Nguyễn Thái Duy LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ths. Đỗ Đức Trí - người đã đã định hướng đề tài, tận tình giúp đỡ và sẵn sàng chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của mình để chúng em kịp hoàn thành đề tài tốt nghiệp trong quãng thời gian ngắn ngủi này. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ nhiệt tình của anh Vân, anh Trí, anh Bằng cùng các đồng nghiệp khác đã làm việc và nghiên cứu tại phòng D405 – Phòng thí nghiệm Điện Tử Công Suất nâng cao. Đặc biệt không thể thiếu bạn Vĩnh Thanh - một người bạn thông minh, vui tính, không những hỗ trợ về mặt nền tảng kiến thức mà còn về mặt tinh thần giúp nhóm vượt qua những lúc khó khăn, mệt mỏi trong lúc làm việc. Sự đồng hành của tất cả mọi người trong suốt thời gian qua là điều vô cùng quý giá, chúng em rất trân trọng điều đó và chắc chắn sẽ là một kỷ niệm đáng nhớ cho quãng đời sinh viên của mình. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù nhóm đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ thầy Trí nói riêng và các thầy cô giáo bộ môn khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung để nhóm thực hiện đề tài có thể hoàn thành bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này được tốt hơn. Mọi ý kiến đóng góp của quý thầy cô là niềm động lực để nhóm tiếp tục cố gắng và phát huy hơn nữa trong tương lai. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Lê Minh Quý - Nguyễn Thái Duy MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................ iii Cam đoan ................................................................................................................ iv Lời cảm ơn ................................................................................................................ v Mục lục .................................................................................................................... vi Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... ix Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xi Tóm tắt ................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 7 1.3 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 8 1.4 Giới hạn. .......................................................................................................... 8 1.5 Bố cục ............................................................................................................. 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 10 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp ..................................................................... 10 2.1.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................... 10 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ........................................................................................ 10 2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc .................................... 11 2.2 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T....................................................... 11 2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T ..................................................................... 11 2.2.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 12 2.3 Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .. 13 2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp .............................. 13 2.3.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 15 2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ................................................. 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................ 26 3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 26 ii 3.2 Sơ đồ khối hệ thống và chức năng các khối .................................................... 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 26 3.2.2 Chức năng của từng khối ............................................................................ 26 3.3 Giới thiệu thành phần linh kiện trong các khối ............................................... 27 3.3.1 Tổng quan về card xử lý tín hiệu số TMS320F28335 .................................. 27 3.3.2 Giới thiệu FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 29 3.3.3 Mạch kích ................................................................................................... 32 3.3.4 Mạch nguồn DC đầu vào............................................................................. 33 3.3.5 Mạch công suất ........................................................................................... 34 3.3.6 Mạch cảm biến ............................................................................................ 35 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 39 4.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 39 4.2 Thi công hệ thống ............................................................................................ 39 4.2.1 Thi công board mạch .................................................................................... 39 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 45 4.2.3 Hình ảnh các module đã thi công, lắp ráp ..................................................... 46 4.3 Hoàn thiện mô hình ......................................................................................... 48 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................ 48 4.3.2 Mô hình đã thi công ...................................................................................... 49 4.4 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 50 4.5 Lập trình mô phỏng ......................................................................................... 52 4.5.1 Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................... 52 4.5.2 Hình ảnh mô phỏng trên PSIM ..................................................................... 53 4.6 Quy trình và hướng dẫn thao tác ...................................................................... 56 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ _NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................ 58 5.1 Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 58 5.1.1 Dạng sóng xung kích cho các khóa IGBT ..................................................... 58 5.1.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu ............................ 59 5.2 Đánh giá nhận xét ............................................................................................ 62 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 65 6.1 Kết luận ........................................................................................................... 65 6.1.1 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 65 6.1.2 Những vấn đề còn tồn đọng .......................................................................... 65 iii 6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ PHỤ LỤC .......................................................................................................... LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều ........ 2 Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số ........... 2 Hình 1.3: Bộ nghịch lưu Z-Source ............................................................................. 3 Hình 1.4: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dòng ngõ vào liên tục .......................... 3 Hình 1.5: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC .......................................................... 4 Hình 1.6: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC .......................... 5 Hình 1.7: Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp ........................... 7 Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T .......................................................... 11 Hình 2.2: Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T ................................................... 12 Hình 2.3: Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T ..................................................... 12 Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp ................................ 14 Hình 2.5: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .......... 15 Hình 2.6: Mạch điện tương đương 1 pha.................................................................... 15 Hình 2.7: Trạng thái +VDC ở trường hợp không ngắn mạch ....................................... 16 Hình 2.8: Trạng thái -VDC ở trường hợp không ngắn mạch ........................................ 17 Hình 2.9: Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp mức "không" ................................ 17 Hình 2.10: Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch ..................................... 18 Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát ......................................... 21 Hình 2.12: Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A ....................................... 21 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha ................................................... 26 Hình 3.2: Hình ảnh Kit DSP TMS320F28335 ............................................................ 28 Hình 3.3: Sơ đồ tổng quan các các khối của TMS320F28335 .................................... 29 Hình 3.4: Hình ảnh FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 31 Hình 3.5: Hình ảnh G1215S-1W ................................................................................ 32 Hình 3.6: Sơ đồ và chức năng các chân của G1215S-1W ........................................... 32 Hình 3.7: Hình ảnh opto TLP250 ............................................................................... 33 Hình 3.8: Sơ đồ khối tạo nguồn DC đầu vào .............................................................. 34 Hình 3.9: Hình ảnh IGBT FGL40N150D ................................................................... 34 Hình 3.10: Hình ảnh cảm biến điện áp LV-20P ......................................................... 35 Hình 3.11: Sơ đồ mạch điện bên trong cảm biến điện áp LV-20P .............................. 35 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ............................................................... 36 Hình 3.13: Khối ngõ vào cảm biến ............................................................................ 36 ii Hình 3.14: Khối điều chỉnh mức khuếch đại của tín hiệu ........................................... 37 Hình 3.15: Khối cộng điện áp .................................................................................... 38 Hình 4.1: Sơ đồ khối module nguồn .......................................................................... 39 Hình 4.2: Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha .......................................................... 40 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch kích ........................................................................ 40 Hình 4.4: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) ........................................................... 41 Hình 4.5: Mạch PCB mạch kích (mạch in lớp dưới) .................................................. 41 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp ............................................................ 42 Hình 4.7: Sơ đồ mạch in mạch cảm biến áp ............................................................... 42 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ................................................................ 43 Hình 4.9: Mạch tăng áp LC với IGBT ....................................................................... 43 Hình 4.10: Mạch công suất hình T ............................................................................. 44 Hình 4.11: Nhánh hình T ........................................................................................... 44 Hình 4.12: Module khối nguồn .................................................................................. 46 Hình 4.13: Module mạch kích ................................................................................... 47 Hình 4.14: Mô hình mạch công suất .......................................................................... 47 Hình 4.15: Mô hình mạch tăng áp bằng LC ............................................................... 48 Hình 4.16: Mô hình mạch cảm biến áp ...................................................................... 48 Hình 4.17: Mô hình hoàn chỉnh ................................................................................. 49 Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật tổng quát ...................................................................... 50 Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A ....................................... 51 Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên PSIM ............................................ 52 Hình 4.21: Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha ................................................... 52 Hình 4.22: Sơ đồ khối tạo xung ngắn mạch trên PSIM .............................................. 53 Hình 4.23: Xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3 ............................................................ 53 Hình 4.24: Xung kích cho khóa Sb1-Sb2-Sb3 ............................................................ 53 Hình 4.25: Xung kích cho khóa Sc1-Sc2-Sc3 ............................................................ 54 Hình 4.26: Xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1 ............................................................ 54 Hình 4.27: Dạng sóng điện áp pha ............................................................................. 55 Hình 4.28: Dạng sóng điện áp dây ............................................................................. 55 Hình 4.29: Dạng sóng điện áp cực ............................................................................. 55 Hình 4.30: Dạng dòng điện ngõ ra ...........................................