Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Điện - Điện tử về xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp, phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Công Thành
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mô hình Nghịch lưu 3 Pha 3 Bậc Hình T Tăng Áp

Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp là một giải pháp công suất điện tử tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo và điều khiển công suất hiệu quả. Cấu trúc này kết hợp ba bậc chuyển mạch để tạo ra một đầu ra áp suất cao với sóng hình sin mịn, giảm thiểu tạo sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng. Đặc biệt, cấu hình hình T cung cấp một phương pháp độc đáo để phân phối điện áp, cho phép tăng áp suất đầu ra một cách hiệu quả.

1.1. Khái niệm cơ bản về Nghịch lưu

Nghịch lưu (Inverter) là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) với tần số và áp suất mong muốn. Mô hình 3 pha 3 bậc cho phép tạo ba mức điện áp khác nhau, tạo ra sóng điện áp gần với sóng hình sin chuẩn, giảm bớt méo dạng sóng và tổn thất điện năng trong hệ thống.

1.2. Ứng dụng của cấu trúc hình T tăng áp

Cấu trúc hình T tăng áp được thiết kế để nâng cao áp suất đầu ra từ nguồn DC thấp. Nó được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, và các hệ thống lưu trữ năng lượng, nơi cần chuyển đổi hiệu quả từ áp suất thấp sang áp suất cao.

II. Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động

Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bao gồm các thành phần chính như: các bộ tụ điện chia áp, các cầu chuyển mạch điện tử (IGBT hoặc MOSFET), mạch điều khiển PWM, và các diode bảo vệ. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chuyển mạch nhanh các cầu điện để tạo ra các mức áp suất khác nhau. Theo kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM), bằng cách thay đổi tỷ lệ chu kỳ bật/tắt, hệ thống có thể điều khiển áp suất và dòng điện đầu ra một cách chính xác.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm: (1) Nguồn DC và tụ điện chia áp; (2) Ba bộ cầu chuyển mạch tương ứng với ba pha; (3) Mạch điều khiển PWM điều chỉnh tín hiệu; (4) Mạch lọc ở đầu ra để loại bỏ tần số cao. Mỗi pha có ba bộ IGBT/MOSFET tạo thành ba bậc chuyển mạch, cho phép tạo ra ba mức áp suất: dương, không, và âm.

2.2. Nguyên lý PWM và điều khiển

Kỹ thuật PWM so sánh tín hiệu tham chiếu với sóng tam giác để xác định thời điểm chuyển mạch. Bằng cách điều chỉnh tần số chuyển mạch cao (thường từ 5-20 kHz), sóng đầu ra được tạo ra có dạng gần như hình sin hoàn hảo. Phương pháp này giảm thiểu méo sóng và tăng hiệu suất điện năng của hệ thống đáng kể.

III. Ưu điểm và Thách thức

Mô hình này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: (1) Giảm tạo sóng hài do có nhiều mức áp suất; (2) Tăng áp suất hiệu quả từ nguồn DC thấp; (3) Hiệu suất cao do giảm tổn thất công suất; (4) Linh hoạt trong điều khiển công suất phủ tải. Tuy nhiên, cũng tồn tại các thách thức như: độ phức tạp cao trong thiết kế mạch điều khiển, chi phí thành phố do sử dụng nhiều thành phần, và yêu cầu cân bằng điện áp các tụ chia áp.

3.1. Những lợi ích nổi bật

Sóng điện áp đầu ra có chất lượng cao với tỷ lệ méo điều hòa (THD) thấp, thường dưới 5%. Hệ thống cho phép chuyển đổi công suất ở mức cao mà không cần máy biến áp riêng. Khả năng tăng áp hiệu quả làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng năng lượng tái tạo.

3.2. Những thách thức và giải pháp

Thách thức chính là bất cân bằng điện áp tại các tụ chia áp, được giải quyết bằng các chiến lược điều khiển PWM phức tạp. Yêu cầu tính toán thời gian chuyển mạch chính xác để tránh xung đột (shoot-through). Sử dụng công nghệ FPGA hoặc vi điều khiển lập trình cao cấp để xử lý điều khiển trong thời gian thực.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Phương hướng Phát triển

Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: hệ thống điện mặt trời quy mô lớn, trạm năng lượng gió, hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), và các ứng dụng công nghiệp. Trong tương lai, các nghiên cứu tập trung vào: sử dụng vật liệu bán dẫn mới (GaN, SiC) để tăng tần số chuyển mạch; phát triển các thuật toán điều khiển AI/Machine Learning; và cải thiện độ tin cậy hệ thống.

4.1. Các ứng dụng hiện tại

Các nhà máy điện mặt trời sử dụng mô hình này để chuyển đổi điện DC từ tấm pin thành AC ba pha chuẩn. Trong các trang trại gió, nó giúp chuyển đổi công suất không ổn định từ tuabin thành dòng điện ổn định. Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (Battery Energy Storage Systems - BESS) sử dụng để điều chỉnh công suất phần lưới.

4.2. Xu hướng phát triển tương lai

Công nghệ bán dẫn thế hệ mới như GaN và SiC cho phép tần số chuyển mạch cao hơn, giảm kích thước và trọng lượng. Tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa điều khiển trong thời gian thực. Phát triển các mô hình hybrid kết hợp nhiều công nghệ để tăng độ bền và hiệu suất tổng thể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Xây dựng hệ thống. Đưa ra phương án thực hiện, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học.  Chương 4: Thi công mô hình. Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch.

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bài kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm đưa ra nhận xét và đánh giá.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được. Có hướng phát triển cho đề tài.  Tài liệu tham khảo, phụ lục.

Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiện đồ án tốt nghiệp. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 2. Giới thiệu tổng quát Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hay gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ngõ ra không giống nhau, ví dụ như bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng ( ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên.

Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện đóng ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR). Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra.

Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chình lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng hay ngắt dòng điện đi qua nó tức là đóng vai trò như một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc. Ở các ứng dụng có công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.

Các hệ thống phát điện tái tạo cho ra các nguồn điện sơ cấp khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu trong quá trình vận hành. Do đó cần thiết phải 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT có thiết bị biến đổi điện tử công suất để cho phép truyền tải bằng phần tử phi tiếp điểm có khả năng điều khiển được, khi ghép nối với lưới hoặc phụ tải. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:  Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).  Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).

 Dạng ghép tầng (Cascade inverter). Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T 2. Tổng quan nghịch lưu hình T Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T Nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T được biểu diễn tại hình 2.Đây là mạch nghịch lưu hoạt động tốt và cho hiệu suất rất cao thường được sử dụng cho bộ nghịch lưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời. So với các bộ nghịch lưu truyền thống thì nghịch lưu đa bậc hình T có hiệu suất cao hơn so với các bộ nghịch lưu truyền thống mà lại sử dụng ít linh kiện đóng ngắt hơn.

Qua đó giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng. 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Nguyên lý hoạt động Về cơ bản mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T hoạt động sẽ có 3 mức trạng thái: + Sa1 dẫn: Điện áp ngõ ra là Vdc/2. + Sa2 hoặc Sa3 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng 0.

+ Sa4 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng –Vdc/2 Mạch nghịch lưu hình T hoạt động với 6 chế độ cho mỗi pha bao gồm 3 chế độ với dòng điện tích cực và 3 chế độ dòng thụ động: Sa1 Sa1 Sa1 Vdc Vdc Vdc G G G Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Hình 2.2: Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T Sa1 Vdc Sa1 Vdc Sa1 Vdc G G G Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Hình 2.3: Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T 2. Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC 2. Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp Nghịch lưu sử dụng trong ứng dụng hiện nay phân làm hai loại cơ bản: Nghịch lưu nguồn áp - NLNA, nghịch lưu nguồn dòng - NLND. 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nghịch lưu nguồn áp được sử dụng phổ biến và có đặc điểm sau: đầu vào nghịch lưu áp phải có tụ điện dung lượng lớn, điện áp đầu ra nghịch lưu bị giới hạn bởi điện áp một chiều và không cho phép ngắn mạch đầu ra.

Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng trong ứng dụng có công suất lớn và có đặt điểm sau: đầu vào NLND phải có điện cảm giá trị lớn và cần có bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện không đổi, điện áp ra của NLND lớn hơn điện áp đầu vào và không cho phép làm việc hở mạch. Như vậy, cả hai cấu hình NLNA và NLND chỉ có thể thực hiện chức năng tăng áp hoặc giảm áp. Hệ thống phát điện bằng pin năng lượng mặt trời có ngõ ra là một nguồn DC có điện áp thấp nên chúng ta cần có một bộ nghịch lưu vừa có thể chuyển đổi DC/AC vừa có thể tăng điện áp ngõ ra để phù hợp với thiết bị sinh hoạt trong hộ gia đình, chung cư, nhà xưởng, hay hòa vào điện lưới quốc gia theo giá trị mong muốn. Do đó, nghịch lưu hình T đã mở ra triển vọng ứng dụng cho các hệ phát điện như phân tán như: pin năng lượng mặt trời, fuel cell, sức gió…thích hợp trong lưới điện.

L1 D1 S0 Sa1 Sb1 Sc1 D2 C1 Sa3 Sa2 L R Sb3 Sb2 VDC L R G Sc3 Sc2 D3 C2 L R S1 C Sa4 Sb4 Sc4 C L2 D4 C Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp Cấu trúc mạch động lực đồng nhất không có sự phân biệt rõ các tầng biến đổi công suất. Điện áp DC đầu vào được tăng áp nhờ chuyển mạch bởi các khóa S0 và S1. Các giá trị của cuộn cảm L1 và L2 sẽ bằng nhau để cân bằng điện áp trong quá trình chuyển mạch bởi các khóa S0 và S1. Tương tự giá trị của tụ C1 và C2 cũng bằng nhau.

So với mạch nghịch lưu NPC truyền thống, mạch nghịch lưu hình T cho phép giảm được 6 Diode so với mạch nghịch lưu NPC truyền thống. 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đề tài sẽ nghiên cứu cấu trúc nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC hướng đến ứng dụng cụ thể cho hệ phát điện sử dụng pin năng lượng mặt trời. Nguyên lý hoạt động L1 D1 S0 Sa1 Sb1 Sc1 D2 C1 Sa3 Sa2 L R Sb3 Sb2 VDC L R G Sc3 Sc2 D3 C2 L R S1 C Sa4 Sb4 Sc4 C L2 D4 C Hình 2.5: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC được giải thích dựa trên mạch điện tương đương 1 pha như hình 2.4 D1 L1 S0 C1 Sa1 D2 Sa3 Sa2 DC G D3 Sa4 S1 C2 L2 D4 Hình 2.6: Mạch điện tương đương 1 pha 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC hoạt động dựa trên 3 trạng thái chính: trạng thái không, trường hợp không ngắn mạch và trường hợp ngắn mạch. Đối với trường hợp ngắn mạch và không ngắn mạch, dòng điện qua cuộn cảm phải liên tục.

Để đảm bảo điều này thì giá trị của cuộn cảm phải đủ lớn để duy trì dòng điện, nếu cuộn cảm có giá trị nhỏ thì dòng điện sẽ có độ đập mạch lớn, hay có thể bị gián đoạn. Tùy thuộc vào công suất yêu cầu của phụ tải mà giá trị của các cuộn cảm và tụ điện được thiết kế và lựa chọn để đảm bảo độ đập mạch của dòng điện, điện áp cho phép của mạch nghịch lưu. Xét trường hợp ngắn mạch L1 S1 S0 Sa1 VDC G Sa3 Sa2 Sa4 S1 L2 Hình 2.7: Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch Ở trường hợp ngắn mạch, cho phép ngắn mạch một hoặc hai hoặc cả ba nhánh mạch nghịch lưu hình T, ví dụ như hình 2.5 là ngắn mạch hai khóa Sa1 và Sa4 của pha A. Tại thời điểm ngắn mạch, các cuộn cảm thực hiện quá trình nạp điện áp từ tụ điện và nguồn DC.

Dòng điện tải đầu ra đối với tải trở cảm của mạch nghịch lưu sẽ được duy trì liên tục qua hệ thống các Diode của các IGBT S0, S1, Sa1 và Sa4. Trong trường hợp ngắn mạch thì điện áp đầu ra sẽ bằng 0, vì mạch nghịch lưu đã bị ngắn mạch đầu vào. Điện áp ngõ ra ở trường hợp ngắn mạch là: V  0 out 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điện áp đặt trên cuộn cảm trong trường hợp ngắn mạch là: V V V L1 L1 L 2VL VDC  2VC Dòng điện trên các phần tử trong mạch ở trường hợp ngắn mạch là: IL1  IC1 IL2  IC2 Xét trường hợp không ngắn mạch: L1 S0 Sa1 VDC G Sa3 Sa2 Sa4 L2 Hình 2.