Cân Bằng Điện Áp DC Link cho Bộ Nghịch Lưu NPC Đa Bậc: Nghiên Cứu và Ứng Dụng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute cân bằng điện áp dc link cho bộ nghịch lưu npc đa bậc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Võ Xuân Nam
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Cân Bằng Điện Áp DC Link Cho Bộ Nghịch Lưu NPC Đa Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về nghịch lưu NPC, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Một số bộ nghịch lưu truyền thống
• 2.2. Bộ nghịch lưu 1 nhánh (single leg Inverter)
• 2.3. Bộ nghịch lưu cầu 1 pha (H – Bridge)
• 2.4. Bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc đơn giản
• 2.4.1. Phân tích mạch
• 2.4.2. Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo tín hiệu điều khiển
• 2.5. Bộ nghịch lưu áp NPC ba bậc
• 2.6. Các phương pháp điều chế độ rộng xung
• 2.6.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM
• 2.6.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VẤN ĐỀ MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ
• 3.1. Hiện tượng mất cân bằng áp tụ
• 3.2. Nguyên nhân mất cân bằng điện áp tụ
• 3.3. Các trạng thái kết nối ngõ ra có ảnh hưởng đến dòng NP
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ
• 4.1. Phương pháp cân bằng điện áp tụ
• 4.2. Mô hình của bộ nghịch lưu có áp dụng giải thuật cân bằng
• 4.2.1. Khối tạo các điện áp va, vb, vc
• 4.2.2. Khối tạo các tín hiệu vxp và vxn
• 4.2.3. Khối tạo các điện áp offset
• 4.2.4. Khối tạo chuỗi xung kích
• 4.3. Kết quả khi áp dụng giải phương pháp cân bằng điện áp tụ
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG ÁP TỤ
• 5.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số đến điện áp tụ
• 5.1.1. Sự ảnh hưởng của tham số Kp đến sự cân bằng áp tụ
• 5.1.2. Sự ảnh hưởng của chỉ số điều chế
• 5.1.3. Sự ảnh hưởng của hệ số công suất tải
• 5.1.4. Sự ảnh hưởng của điện dung các tụ
• 5.1.4.1. Trường hợp hai tụ có điện dung bằng nhau
• 5.1.4.2. Trường hợp hai tụ có điện dung khác nhau
• 5.1.5. Sự ảnh hưởng của bộ giới hạn
• 5.2. Giá trị tối ưu của tham số Kp
• 5.2.1. Phương pháp tìm giá trị tối ưu của Kp
• 5.2.2. Kết quả đạt được
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped) là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện tử công suất. Việc cân bằng điện áp trên các tụ nguồn là một vấn đề lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết hiện tượng mất cân bằng điện áp trên các tụ của bộ nghịch lưu NPC ba bậc. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc cân bằng điện áp có thể cải thiện đáng kể chất lượng điện năng đầu ra. Tuy nhiên, các phương pháp hiện tại vẫn gặp khó khăn trong việc duy trì độ ổn định và giảm thiểu dao động điện áp. Do đó, việc phát triển một phương pháp mới để cân bằng điện áp DC Link là cần thiết nhằm tối ưu hóa hiệu suất của bộ nghịch lưu. Kỹ thuật điều khiển được đề xuất trong nghiên cứu này dựa trên phương pháp điều chế CPWM (Carrier-based Pulse Width Modulation), cho phép loại bỏ các dao động tần số thấp và cải thiện độ ổn định của điện áp.

1.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu NPC

Bộ nghịch lưu NPC là một loại bộ chuyển đổi điện năng, có khả năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều. Bộ nghịch lưu này có nhiều ưu điểm như giảm thiểu hài và cải thiện chất lượng điện năng. Tuy nhiên, việc cân bằng điện áp trên các tụ nguồn là một thách thức lớn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc mất cân bằng điện áp có thể dẫn đến sự suy giảm hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Do đó, việc phát triển các phương pháp mới để cân bằng điện áp là rất quan trọng. Nghiên cứu này sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến việc cân bằng điện áp và đề xuất các giải pháp tối ưu nhằm cải thiện hiệu suất của bộ nghịch lưu NPC.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu này dựa trên các nguyên lý cơ bản của bộ nghịch lưu NPC và các phương pháp điều chế hiện có. Công nghệ nghịch lưu đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, với nhiều phương pháp điều chế khác nhau như SPWM, SVPWM và CPWM. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong việc cân bằng điện áp. Nghiên cứu này sẽ phân tích các phương pháp điều chế hiện có và đề xuất một phương pháp mới nhằm cải thiện khả năng cân bằng điện áp cho bộ nghịch lưu NPC. Kỹ thuật điều khiển được đề xuất sẽ giúp giảm thiểu độ dao động điện áp và cải thiện độ ổn định của hệ thống.

2.1 Các phương pháp điều chế

Các phương pháp điều chế như SPWM và SVPWM đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong các bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn gặp phải một số hạn chế trong việc cân bằng điện áp. Nghiên cứu này sẽ khảo sát các phương pháp điều chế hiện có và phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. Đặc biệt, phương pháp CPWM được đề xuất trong nghiên cứu này sẽ được phân tích chi tiết, với mục tiêu cải thiện khả năng cân bằng điện áp và giảm thiểu dao động điện áp. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của các phương pháp điều chế và ảnh hưởng của chúng đến việc cân bằng điện áp trong bộ nghịch lưu NPC.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng để khảo sát và phân tích hiệu quả của các phương pháp cân bằng điện áp. Các thông số như chỉ số điều chế, hệ số công suất và điện dung của tụ sẽ được khảo sát để xác định ảnh hưởng của chúng đến việc cân bằng điện áp. Mô hình mô phỏng sẽ được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của bộ nghịch lưu NPC và các phương pháp điều chế đã được đề xuất. Kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của phương pháp cân bằng điện áp và đưa ra các khuyến nghị cho việc áp dụng trong thực tế.

3.1 Mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng sẽ được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của bộ nghịch lưu NPC và các phương pháp điều chế. Các thông số đầu vào sẽ được xác định dựa trên các điều kiện thực tế. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như chỉ số điều chế và hệ số công suất đến việc cân bằng điện áp. Phân tích kết quả mô phỏng sẽ giúp xác định các yếu tố quan trọng cần được chú ý trong việc thiết kế và vận hành bộ nghịch lưu NPC, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc cân bằng điện áp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bộ nghịch lưu áp đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped) ba bậc, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện tử công suất công nghiệp nhằm nâng cao chất lượng điện năng và hiệu suất chuyển đổi. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu này chiếm tỷ lệ lớn trong các thiết bị truyền động điện động cơ không đồng bộ, thiết bị hàn trung tần, và hệ thống bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, một vấn đề kỹ thuật nổi bật là hiện tượng mất cân bằng điện áp trên các tụ nguồn DC-Link, gây ra dao động điện áp tần số thấp, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện áp ngõ ra và tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và khảo sát một phương pháp điều khiển cân bằng điện áp trên tụ nguồn của bộ nghịch lưu NPC ba bậc, ba pha, nhằm loại bỏ các dao động tần số thấp và giảm độ lệch điện áp sau cân bằng. Nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật điều chế CPWM (Carrier-based Pulse Width Modulation) kết hợp với bộ bù offset để tăng tốc độ cân bằng và giảm sai lệch điện áp tụ khi thay đổi các thông số như điện dung tụ, chỉ số điều chế và hệ số công suất tải.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong mô phỏng và phân tích bộ nghịch lưu NPC ba bậc ba pha, với các thông số điển hình như điện áp nguồn 400V, tần số sóng mang 5kHz, điện dung tụ 200μF, tải RL với R=5Ω và L=0.02H. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện chất lượng điện năng, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị, đồng thời tạo nền tảng phát triển cho các bộ nghịch lưu đa bậc có số bậc cao hơn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Bộ nghịch lưu NPC ba bậc: Cấu trúc gồm hai tụ nguồn nối tiếp chia điện áp DC thành hai phần bằng nhau, với 27 trạng thái đóng ngắt linh kiện bán dẫn, cho phép tạo ra ba mức điện áp trên mỗi pha. Điện áp tải được tính dựa trên điện áp các pha và điểm trung tính, đảm bảo tải đối xứng.

• Phương pháp điều chế CPWM (Carrier-based Pulse Width Modulation): Sử dụng sóng mang tam giác tần số cao (5kHz) so sánh với tín hiệu điều khiển dạng sin để tạo ra chuỗi xung điều khiển các khóa bán dẫn. Phương pháp này cho phép điều khiển tuyến tính điện áp ngõ ra theo tín hiệu điều khiển.

• Kỹ thuật điều chế SFO-PWM (Switching Frequency Optimal PWM): Cải biến sóng điều khiển bằng cách cộng thêm hàm offset dựa trên giá trị cực đại và cực tiểu của ba pha điều khiển, nhằm mở rộng vùng điều chế tuyến tính và tăng hiệu suất điện áp ngõ ra.

• Khái niệm cân bằng điện áp tụ DC-Link: Mất cân bằng điện áp tụ xảy ra khi dòng điện qua điểm trung tính (iNP) khác không, dẫn đến sự chênh lệch điện áp giữa hai tụ nguồn. Hiện tượng này gây ra dao động điện áp tần số thấp, làm tăng hài bậc thấp trong điện áp tải, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink với các thông số thực nghiệm điển hình như điện áp nguồn 400V, điện dung tụ 200μF, tải RL (R=5Ω, L=0.02H), tần số sóng mang 5kHz.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình mạch trung bình và mô hình tức thời của bộ nghịch lưu NPC ba bậc để phân tích điện áp và dòng điện trên các tụ nguồn. Giải thuật điều khiển cân bằng điện áp được xây dựng dựa trên kỹ thuật CPWM kết hợp hàm offset, được mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của các tham số như chỉ số điều chế, hệ số công suất tải, điện dung tụ và biên độ hàm offset.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ tháng 9/2004 đến tháng 10/2012, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ DC-Link: Mô phỏng cho thấy điện áp trên hai tụ nguồn dao động quanh giá trị bằng một nửa điện áp nguồn (200V), với độ lệch điện áp có thể lên đến khoảng 10-15% khi không áp dụng kỹ thuật cân bằng. Dòng điện qua điểm trung tính iNP có giá trị trung bình khác không, là nguyên nhân chính gây mất cân bằng.

2. Hiệu quả của giải thuật cân bằng điện áp dựa trên CPWM có bù offset: Khi áp dụng giải thuật, dao động điện áp tụ giảm đáng kể, độ lệch điện áp tụ sau cân bằng giảm xuống dưới 2%, thời gian cân bằng rút ngắn khoảng 30-40% so với phương pháp không bù offset. Ví dụ, với chỉ số điều chế m=1 và hệ số công suất cosφ=0.9, thời gian cân bằng giảm từ khoảng 0.15s xuống còn 0.1s.

3. Ảnh hưởng của các tham số điều khiển:

   • Chỉ số điều chế m tăng làm giảm độ lệch điện áp tụ sau cân bằng, tuy nhiên thời gian cân bằng có xu hướng tăng nhẹ.
   • Hệ số công suất tải ảnh hưởng đến biên độ dao động điện áp tụ; tải có hệ số công suất thấp hơn (cosφ=0.8) gây dao động lớn hơn khoảng 20% so với tải cosφ=1.
   • Điện dung tụ không bằng nhau làm tăng độ lệch điện áp tụ lên đến 12%, trong khi điện dung bằng nhau duy trì độ lệch dưới 3%.

4. Giá trị tối ưu của biên độ hàm offset (Kp): Qua khảo sát với bốn trường hợp chỉ số điều chế và hệ số công suất khác nhau, giá trị Kp tối ưu nằm trong khoảng 0.05 đến 0.1, giúp cân bằng nhanh và giảm dao động điện áp tụ hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ là dòng điện qua điểm trung tính iNP không bằng không, gây ra sự nạp/xả không đồng đều giữa hai tụ nguồn. Giải thuật điều khiển dựa trên CPWM có bù offset đã khắc phục hiệu quả nhược điểm này bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển sao cho dòng iNP được cân bằng, từ đó giảm dao động điện áp tụ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp này cho thấy ưu điểm vượt trội về thời gian cân bằng nhanh hơn và độ lệch điện áp tụ nhỏ hơn, đồng thời giữ nguyên chất lượng điện áp ngõ ra với tần số chuyển mạch 5kHz. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp trên tụ trước và sau cân bằng, biểu đồ thời gian cân bằng theo các giá trị Kp, và bảng so sánh độ lệch điện áp tụ theo các tham số điều khiển.

Ý nghĩa của kết quả này là tạo tiền đề cho việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp trong các bộ nghịch lưu NPC đa bậc có số bậc cao hơn, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống điện tử công suất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật cân bằng điện áp tụ DC-Link dựa trên CPWM có bù offset trong các bộ nghịch lưu NPC đa bậc: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu giảm độ lệch điện áp tụ xuống dưới 2%, thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử công suất.

2. Tối ưu hóa tham số bù offset (Kp) theo từng điều kiện tải và chỉ số điều chế: Đề xuất "điều chỉnh" tham số Kp trong khoảng 0.05-0.1 để đạt hiệu quả cân bằng tối ưu, thực hiện trong giai đoạn thử nghiệm và vận hành thực tế, chủ thể là kỹ sư điều khiển và vận hành.

3. Nâng cao chất lượng sóng mang và tín hiệu điều khiển để giảm tần số chuyển mạch linh kiện: Khuyến nghị "cải tiến" sóng mang và thuật toán điều khiển nhằm giảm tổn hao và tăng tuổi thọ linh kiện, thời gian thực hiện 12-18 tháng, chủ thể là các nhà sản xuất thiết bị và viện nghiên cứu.

4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho bộ nghịch lưu NPC có số bậc lớn hơn: Động từ hành động là "phát triển" các thuật toán cân bằng điện áp phù hợp với cấu trúc phức tạp hơn, mục tiêu nâng cao hiệu suất và độ ổn định hệ thống, thời gian nghiên cứu 2-3 năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điện tử công suất: Nghiên cứu cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để cải thiện chất lượng điện áp và tuổi thọ thiết bị trong các bộ nghịch lưu NPC đa bậc, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện - điện tử: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng nghiên cứu.

3. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển và biến tần: Cung cấp cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm để phát triển các thuật toán điều khiển mới, đặc biệt trong cân bằng điện áp tụ DC-Link.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị biến tần và nghịch lưu: Hướng dẫn áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tổn hao và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ DC-Link là gì và tại sao nó quan trọng?
   Mất cân bằng điện áp tụ DC-Link là sự chênh lệch điện áp giữa các tụ nguồn trong bộ nghịch lưu NPC, gây ra dao động điện áp tần số thấp. Hiện tượng này làm giảm chất lượng điện áp ngõ ra, tăng hài bậc thấp, gây tổn hao và giảm tuổi thọ thiết bị. Ví dụ, dao động điện áp có thể vượt quá 10% điện áp nguồn nếu không được cân bằng.

2. Phương pháp CPWM có bù offset hoạt động như thế nào để cân bằng điện áp tụ?
   Phương pháp này điều chỉnh tín hiệu điều khiển bằng cách cộng thêm một hàm offset dựa trên giá trị cực đại và cực tiểu của các pha điều khiển, nhằm cân bằng dòng điện qua điểm trung tính iNP. Kết quả là điện áp trên các tụ được duy trì gần bằng nhau, giảm dao động và sai lệch điện áp tụ.

3. Các tham số nào ảnh hưởng đến hiệu quả cân bằng điện áp tụ?
   Chỉ số điều chế (m), hệ số công suất tải (cosφ), điện dung tụ và biên độ hàm offset (Kp) là các tham số chính. Ví dụ, hệ số công suất thấp làm tăng dao động điện áp tụ khoảng 20%, trong khi điện dung tụ không đồng đều làm tăng sai lệch điện áp lên đến 12%.

4. Giá trị tối ưu của biên độ hàm offset (Kp) là bao nhiêu?
   Giá trị Kp tối ưu nằm trong khoảng 0.05 đến 0.1 tùy thuộc vào chỉ số điều chế và hệ số công suất tải, giúp cân bằng nhanh và giảm dao động điện áp tụ hiệu quả nhất.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác không?
   Có, phương pháp được thiết kế để có thể mở rộng và phát triển cho các bộ nghịch lưu NPC có số bậc lớn hơn, giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện tử công suất trong tương lai.

Kết luận

• Đã xác định và phân tích rõ hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ DC-Link trong bộ nghịch lưu NPC ba bậc, ba pha với các số liệu mô phỏng cụ thể.
• Phát triển giải thuật điều khiển cân bằng điện áp dựa trên kỹ thuật CPWM có bù offset, đạt hiệu quả giảm dao động điện áp tụ xuống dưới 2% và rút ngắn thời gian cân bằng khoảng 30-40%.
• Khảo sát ảnh hưởng của các tham số điều khiển như chỉ số điều chế, hệ số công suất tải, điện dung tụ và biên độ hàm offset, xác định giá trị tối ưu của Kp trong khoảng 0.05-0.1.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị, đồng thời tạo nền tảng phát triển cho các bộ nghịch lưu đa bậc phức tạp hơn.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm ứng dụng thực tế, tối ưu hóa tham số và mở rộng cho bộ nghịch lưu đa bậc cao hơn trong vòng 2-3 năm tới.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp điều khiển cân bằng điện áp tụ DC-Link nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống điện tử công suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ XUÂN NAM CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP DC-LINK CHO BỘ NGHỊCH LƯU NPC ĐA BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 0 3 7 2 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ XUÂN NAM CÂN BẰNG ĐIÊN ̣ ÁP DC-LINK CHO BÔ ̣ NGHIC ̣ H LƯU NPC ĐA BÂC ̣ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ -605270 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ XUÂN NAM CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP DC-LINK CHO BỘ NGHICH ̣ LƯU NPC ĐA BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ -605270 Hướng dẫn khoa học: PGS. NGUYỄN VĂN NHỜ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Trang - ii - Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Võ Xuân Nam Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1985 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 12/19 Đƣờng 49, khu phố 7, phƣờng Hiệp Bình Chánh, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0909628780 Fax: E-mail: vxnam85@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2004 đến 2/2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tại Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử Trang - iii - Luan van Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: ỨNG DỤNG CHẾ ĐỘ HOSTLINK CỦA PLC CPM2A ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỘN SƠN Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 2 năm 2009, tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Trần Tùng Giang III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2/2009 – Công ty Grey Stone Data System - Quản lý sản xuất 7/2009 Việt Nam - Lập trình viên 7/2009 đến Trƣờng Cao đẳng kỹ thuật Cao - Giảng dạy nay Thắng Trang - iv - Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp.

Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 8 năm 2012 Võ Xuân Nam Trang - v - Luan van LỜI CẢM TẠ Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. Nguyễn Văn Nhờ, giảng viên hƣớng dẫn em th ực hiện luận văn, đã ta ̣o điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i và hƣớng dẫn tâ ̣n tiǹ h, định hƣớng và nhắc nhở kịp thời trong thời gian qua để em hoàn thành đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu làm nền tảng cho những nghiên cứu để hoàn thành luận văn. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, phòng thí nghiệm để em triển khai đề tài trong suốt thời gian qua.

Tôi chân thành cảm ơn các anh em trong phòng thí nghiê ̣m , bạn bè trong lớp đã cùng nghiên cƣ́u và giúp đỡ tôi nhiề u trong quá trình thƣ̣c hiê ̣n đề tài. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 8 năm 2012 Học viên thực hiện Võ Xuân Nam Trang - vi - Luan van TÓM TẮT Các bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped Converter) thƣờng xảy ra hiện tƣợng mất cân bằng điện áp trên các tụ nguồn, còn gọi là sự xuất hiện các dao động điện áp tần số thấp tại điểm DC-Link. Vấn đề này ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng ở ngõ ra của bộ nghịch lƣu. Nội dung chính của đề tài là cân bằng điện áp trên tụ của bộ nghịch lƣu NPC ba bậc, ba pha.

Kỹ thuật điều khiển cân bằng áp tụ đƣợc trình bày trong đề tài này đã đạt đƣợc yêu cầu về việc loại bỏ các dao động tần số thấp của điện áp tụ điện. Kỹ thuật điều khiển cân bằng áp tụ này dựa trên kỹ thuật điều chế CPWM (Carrier-based Pulse With Modulator). Tuy nhiên, để áp tụ cân bằng nhanh và độ lệch áp sau cân bằng nhỏ khi thay đổi các thông số nhƣ điện dung tụ, chỉ số điều chế, thông số tải cần phải có bộ bù offset. Đề tài còn khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến vấn đề cân bằng áp tụ sau khi áp dụng phƣơng pháp cân bằng nhƣ là: chỉ số điều chế, hệ số công suất tải đến áp tụ, biên độ của bộ giới hạn điện áp offset.

Khảo sát sự ảnh hƣởng của biên độ hàm offset đến thời gian cân bằng áp tụ và độ lớn của điện áp dao động trên tụ sau cân bằng. Đồng thời, đề tài trình bày giá trị tối ƣu của biên độ hàm offset với bốn trƣờng hợp của chỉ số điều chế cùng với các giá trị khác nhau của hệ số công suất. Trang - vii - Luan van ABSTRACT This thesis presents a control method for balancing the capacitor voltage of three-level Neutral-Point-Clamped (NPC) converters. This control method overcomes one of the main problems of this converter, which is the low frequency voltage oscillation that appears in the neutral point.

The algorithm is based on a carrier-based Pulse Width Modulation (CPWM). Studying a offset voltage to have optimal results in relation to power factor and modulation index is a matter of concern. This thesis presents the optimal value of offset voltage in different modulation indexs and power factors. It shows the influence of power factor, modulation index on the balancing time and the capcitor voltage deviation.

Trang - viii - Luan van MỤC LỤC Nội dung. Trang QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI. ii LÝ LỊCH KHOA HỌC. iii LỜI CAM ĐOAN .v LỜI CẢM TẠ.

vii MỤC LỤC. ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT. xii DANH SÁCH CÁC BẢNG. xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH.

xiv Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Tổng quan chung về nghịch lƣu NPC, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố .2 Mục đích của đề tài.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài.4 Phƣơng pháp nghiên cứu. 6 Trang - ix - Luan van Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Một số bộ nghịch lƣu truyền thống. Bộ nghịch lƣu 1 nhánh (single leg Inverter) .2 Bộ nghịch lƣu cầu 1 pha (H – Bridge).

Bộ nghịch lƣu áp 3 pha 2 bậc đơn giản .1 Phân tích mạch .2 Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo tính hiệu điều khiển. Bộ nghịch lƣu áp NPC ba bậc. Các phƣơng pháp điều chế độ rộng xung. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM.

Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến SFO-PWM .21 Chƣơng 3 KHẢO SÁT VẤN ĐỀ MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ .1 Hiện tƣợng mất cân bằng áp tụ .2 Nguyên nhân mất cân bằng điện áp tụ .3 Các trạng thái kết nối ngõ ra có ảnh hƣởng đến dòng NP. 31 Chƣơng 4 PHƢƠNG PHÁP CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ .1 Phƣơng pháp cân bằng điện áp tụ .2 Mô hình của bộ nghịch lƣu có áp dụng giải thuật cân bằng .1 Khối tạo các điện áp va, vb,vc .2 Khối tạo các tín hiệu vxp và vxn.3 Khối tạo các điện áp offset .4 Khối tạo chuỗi xung kích .3 Kết quả khi áp dụng giải phƣơng pháp cân bằng điện áp tụ. 50 Trang - x - Luan van Chƣơng 5 CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CÂN BẰNG ÁP TỤ .1 Khảo sát sự ảnh hƣởng của các thông số đến điện áp tụ.1 Sự ảnh hƣởng của tham số Kp đến sự cân bằng áp tụ .2 Sự ảnh hƣởng của chỉ số điều chế .3 Sự ảnh hƣởng của hệ số công suất tải .4 Sự ảnh hƣởng của điện dung các tụ .1 Trƣờng hợp hai tụ có điện dung bằng nhau .2 Trƣờng hợp hai tụ có điện dung khác nhau .5 Sự ảnh hƣởng của bộ giới hạn .2 Giá trị tối ƣu của tham số Kp .1 Phƣơng pháp tìm giá trị tối ƣu của Kp .2 Kết quả đạt đƣợc. 63 Chƣơng 6 KẾT LUẬN .2 Hƣớng phát triển.

66 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 67 TIẾNG NƢỚC NGOÀI. 67 Trang - xi - Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT APOD: Alternative Phase Opposition Disposition CPWM: Carrier Based Pulse Width Modulation FLC: Flying Capacitor Converter IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor LSC: Level Shifted Carriers N: Negative NP: Neutral Point NPC: Neutral Point Diode Clamped OVPWM: Overmodulation Pulse Width Modulation P: Positive PD: Phase Disposition POD: Phase Opposition Disposition PWM: Pulse Width Modulation SPWM: Sinusoidal Pulse Width Modulation. SFO-PWM: Switching Frequency Optimal-Pulse Width Modulation SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation VSI: Voltage Source Inverter Trang - xii - Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng .1: Trạng thái kích đóng và điện áp ngõ ra của bộ nghịch lƣu 1 nhánh .2: Quan hệ giữa các giá trị của tín hiệu điều khiển và điện áp nghịch lƣu.

Mối quan hệ trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu NPC 3 bậc với áp nghịch lƣu .1: Mối liên quan giữa dòng NP và dòng tải trạng thái kết nối .1: Giá trị tối ƣu của Kp ứng với các giá trị của công suất tải và chỉ số điều chế.64 Trang - xiii - Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình .1: Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lƣu 1nhánh .2: Nguyên lý điều khiển sóng mang.3: Dạng sóng của điện áp nghịch lƣu theo áp điều khiển và sóng mang .4: Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lƣu cầu 1 pha .5: Mô hình áp trung bình tƣơng đƣơng .6: Mô hình mạch tức thời và trung bình của bộ nghịch lƣu cầu 1 pha .7: Sơ đồ mạch của bộ nghịch lƣu áp 3 pha, 2 bậc .8: Sơ đồ giải tích mạch tƣơng đƣơng .9: Cấu trúc của nghịch lƣu NPC ba bậc tải RL hình Y.10: Sơ đồ các phƣơng pháp điều chế tần số chuyển mạch .11: Nguyên lý của SPWM cho bộ nghịch lƣu cầu H .12: Phƣơng pháp SPWM với kiểu bố trí sóng mang PSC .13: Các dạng của CPWM dùng sóng mang dịch mức .14: Điện áp các pha và điện áp dây của tải khi dùng LSC CPWM .15: Dạng sóng điện áp cực đại _max(Va,Vb,Vc) .16: Dạng sóng điện áp cực tiểu_min(Va,Vb,Vc) .