Nghiên Cứu Giải Thuật Nghịch Lưu 3 Pha 5 Bậc NPC Cầu H Để Giảm Số Lần Chuyển Mạch

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc npc cầu h giảm số lần chuyển mạch, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong

• Tác giả: Bùi Minh Ẩn
• Người hướng dẫn: TS. Quách Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Giải Thuật Nghịch Lưu 3 Pha 5 Bậc NPC Cầu H Giảm Số Lần Chuyển Mạch
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.1.3. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.1.4. Mục đích của đề tài
• 1.1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.1.7. Điểm mới của đề tài
• 1.1.8. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về nghịch lưu đa bậc
• 2.2. Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped)
• 2.2.2. Cấu trúc bộ nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter)
• 2.2.3. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng cascade
• 2.2.4. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng H-NPC
• 2.3. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC
• 2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM
• 2.3.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM)
• 2.4. Phương pháp điều chế vector không gian
• 2.4.1. Khái niệm vector không gian
• 2.4.2. Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 2.4.3. Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH
• 3.1. Nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
• 3.2. Phương pháp PWM đề xuất cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch
• 3.3. Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch
• 3.3.1. Thông số mô phỏng
• 3.3.2. Mô hình mô phỏng
• 3.3.3. Chức năng các khối trong mô hình
• 3.3.3.1. Khối tạo sóng sin
• 3.3.3.2. Khối sóng mang
• 3.3.3.3. Sơ đồ khối xung kích
• 3.3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.3.4.1. Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.2
• 3.3.4.2. Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.3
• 3.3.4.3. Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.4
• 3.3.4.4. Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.5
• 3.4. Phân tích FFT áp tải và dòng điện tải với các chỉ số điều chế m
• 3.4.1. Phân tích FFT điện áp tải
• 3.4.2. Phân tích FFT dòng điện tải
• 3.5. So sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp đã công bố ở Việt Nam
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.2. Mạch động lực
• 4.3. Mạch điều khiển
• 4.4. Module mạch kích
• 4.5. Mạch nguồn kích các IGBT
• 4.6. Tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.7. Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng
• 4.7.1. Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng
• 4.7.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink
• 4.8. Kết quả thực nghiệm trên tải R-L, R = 40Ω và L = 100mH
• 4.8.1. Kết quả thực nghiệm với chỉ số m = 0.2
• 4.8.2. Kết quả thực nghiệm với chỉ số điều chế m = 1
• 4.8.3. Phân tích FFT điện áp pha tâm tải
• 4.8.4. Đặc tuyến điều khiển điện áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m
• 4.8.5. So sánh THD Uta giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 4.8.6. So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam
• 4.9. Khảo sát số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Những kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H

Giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất. Nghiên cứu này tập trung vào việc giảm số lần chuyển mạch, từ đó giảm tổn hao năng lượng trong quá trình hoạt động của hệ thống. Việc áp dụng công nghệ nghịch lưu giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị điện. Đặc biệt, việc sử dụng giải thuật nghịch lưu 5 bậc NPC cho phép tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều, phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Theo nghiên cứu, số lần chuyển mạch có thể giảm đến 33% theo lý thuyết và 15.25% trong thực nghiệm, điều này cho thấy giá trị thực tiễn của giải thuật này trong việc tiết kiệm năng lượng.

II. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC

Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC hoạt động dựa trên nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM). Nguyên lý này cho phép điều khiển điện áp đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của các xung điều khiển. Việc sử dụng công nghệ nghịch lưu 5 bậc giúp giảm thiểu độ méo hài (THD) và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Các sóng mang được điều chế để tạo ra các mức điện áp khác nhau, từ đó giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Kỹ thuật này không chỉ giúp giảm tổn hao năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Việc áp dụng hàm offset trong điều chế cũng là một điểm nổi bật, giúp tối ưu hóa biên độ điện áp và giảm thiểu số lần chuyển mạch.

III. Phương pháp PWM đề xuất cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC

Phương pháp PWM đề xuất trong nghiên cứu này sử dụng hàm offset để điều chỉnh các mức điện áp điều khiển. Kỹ thuật này cho phép chuyển đổi điện áp điều khiển về các ngưỡng khác nhau, từ đó tối ưu hóa biên độ điện áp offset. Việc giảm số lần chuyển mạch không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu tổn hao do chuyển mạch. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC là một bước tiến quan trọng trong công nghệ điều khiển điện năng.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật đề xuất có thể giảm số lần chuyển mạch đáng kể. Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm MATLAB/SIMULINK, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu. Thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K cũng cho kết quả tương tự, xác nhận tính khả thi của giải thuật. Việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ chính xác cao, điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu. Các kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết mà còn có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong các hệ thống điện công nghiệp.

V. Giá trị thực tiễn và ứng dụng của giải thuật

Giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp điện. Việc giảm số lần chuyển mạch giúp tiết kiệm năng lượng, giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện. Các ứng dụng của giải thuật này có thể thấy trong các hệ thống truyền động điện, lò cảm ứng, và các thiết bị điện tử công suất khác. Điều này cho thấy rằng nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong việc phát triển công nghệ mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường thông qua việc tiết kiệm năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành điện và điện tử công suất ngày càng phát triển mạnh mẽ, trở thành nền tảng quan trọng cho nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc kiểu NPC cầu H, được ứng dụng rộng rãi trong truyền động điện, nguồn điện xoay chiều công suất lớn và các thiết bị điện tử công suất. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là tổn hao công suất do số lần chuyển mạch của các khóa công suất gây ra, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Theo ước tính, số lần chuyển mạch có thể chiếm phần lớn tổn hao trong hệ thống, đặc biệt khi tần số sóng mang lên đến 3000 Hz.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cải tiến cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H nhằm giảm số lần chuyển mạch, từ đó giảm tổn hao công suất. Mục tiêu cụ thể là thiết kế hàm offset bậc 3 để điều chỉnh điện áp điều khiển, tận dụng tất cả các ngưỡng so sánh của sóng mang nhằm giảm số lần chuyển mạch tối đa có thể đạt 33% trên lý thuyết và thực nghiệm đạt khoảng 15.25% ở tần số sóng mang 3000 Hz. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK và thực nghiệm trên phần cứng sử dụng IGBT STGW25N120K, với vi xử lý DSP TMS320F28335 làm bộ điều khiển.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu đa bậc, giảm tổn hao điện năng, đồng thời cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi cho các ứng dụng công nghiệp và giảng dạy chuyên ngành điện tử công suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Bộ nghịch lưu đa bậc (Multilevel Inverter): Bao gồm các cấu trúc NPC (Neutral Point Clamped), kẹp tụ (Flying Capacitor), và dạng cascade. Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H được lựa chọn do ưu điểm về công suất cao, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt hơn so với bộ nghịch lưu 3 bậc truyền thống.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Phương pháp điều chế sóng mang (Carrier Based PWM) và điều chế vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM) được nghiên cứu để tối ưu hóa tín hiệu điều khiển. Đặc biệt, phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified SPWM) được áp dụng để mở rộng phạm vi điều khiển tuyến tính và giảm sóng hài.

• Khái niệm vector không gian: Sử dụng phép biến đổi vector không gian để biểu diễn điện áp ba pha, từ đó thiết kế giải thuật điều khiển nhằm giảm số lần chuyển mạch và tổn hao.

• Hàm offset bậc 3: Được xây dựng để điều chỉnh điện áp điều khiển, dịch chuyển vị trí điện áp điều khiển về các ngưỡng so sánh sóng mang gần nhất, giảm số lần chuyển mạch khóa công suất.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số điều chế (m), tổng méo dạng sóng hài (THD), số lần chuyển mạch (K), điện áp điều khiển pha (Vx), và các ngưỡng so sánh sóng mang (Lx, Hx).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK và thực nghiệm trên mô hình phần cứng sử dụng IGBT STGW25N120K, vi xử lý DSP TMS320F28335.

• Phương pháp phân tích: Phân tích tín hiệu điện áp và dòng điện tải qua phổ FFT để đánh giá tổng méo dạng sóng hài (THD), đồng thời đo đếm số lần chuyển mạch trên mỗi pha trong một chu kỳ. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với các phương pháp điều chế truyền thống.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến tháng 4 năm 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, xây dựng giải thuật, mô phỏng, lập trình nhúng và thực nghiệm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L với điện trở R = 40 Ω và điện cảm L = 100 mH, tần số sóng mang 3000 Hz, tần số tải 50 Hz. Việc lựa chọn tải R-L nhằm mô phỏng điều kiện thực tế trong các ứng dụng công nghiệp.

• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp điều chế PWM cải biến kết hợp với hàm offset bậc 3 cho phép giảm số lần chuyển mạch mà không cần cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và tăng độ tin cậy hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm số lần chuyển mạch: Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch trên mỗi pha trong một chu kỳ lên đến 33% trên lý thuyết và đạt khoảng 15.25% trong thực nghiệm ở tần số sóng mang 3000 Hz. Ví dụ, khi chỉ số điều chế m = 0.5, số lần chuyển mạch giảm rõ rệt so với phương pháp SPWM truyền thống.

2. Chất lượng sóng điện áp và dòng điện tải: Phân tích FFT cho thấy tổng méo dạng sóng hài (THD) điện áp tải giảm xuống còn khoảng 3.57% khi m = 0.5 và duy trì dưới 6% ở các mức điều chế khác, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam về chất lượng điện năng.

3. Hiệu quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, với điện áp tải đạt biên độ tối đa 154 V và dòng điện tải đạt 1.23 A ở m = 0.86, THD điện áp và dòng điện đều ở mức thấp, chứng minh tính khả thi của giải thuật.

4. Không cần cảm biến dòng điện: Giải thuật hoạt động dựa trên điện áp điều khiển và sóng mang, không yêu cầu cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giúp giảm chi phí và độ phức tạp phần cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm số lần chuyển mạch là do hàm offset bậc 3 dịch chuyển điện áp điều khiển về gần các ngưỡng so sánh sóng mang, tận dụng tối đa các ngưỡng này để giảm số lần chuyển mạch không cần thiết. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp SVPWM hoặc MSPWM, giải thuật này có ưu điểm đơn giản về tính toán, dễ dàng triển khai trên vi xử lý DSP với thời gian xử lý nhanh.

Biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện tải, cùng với phân tích FFT, minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng tín hiệu và giảm sóng hài. Bảng so sánh số lần chuyển mạch và THD giữa giải thuật đề xuất và các phương pháp truyền thống cho thấy sự vượt trội về hiệu quả.

Ý nghĩa của kết quả là giảm tổn hao công suất do chuyển mạch, tăng tuổi thọ thiết bị công suất, giảm nhiệt độ hoạt động và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống nghịch lưu đa bậc. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật trên các hệ thống công nghiệp: Áp dụng giải thuật điều chế PWM cải biến với hàm offset bậc 3 trên các bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H trong các nhà máy điện, truyền động công nghiệp để giảm tổn hao và tăng hiệu suất. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật điện công nghiệp đảm nhận.

2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp: Cải tiến phần mềm điều khiển trên DSP TMS320F28335 hoặc các vi xử lý tương đương, tích hợp tự động hóa quá trình biên dịch từ MATLAB/Simulink sang ngôn ngữ C, giảm thời gian phát triển và nâng cao độ chính xác. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.

3. Nâng cao nghiên cứu về cân bằng điện áp trung tính: Tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán cân bằng điện áp điểm trung tính trong bộ nghịch lưu NPC đa bậc nhằm đảm bảo ổn định điện áp và giảm tổn hao thêm. Thời gian nghiên cứu 12 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện thực hiện.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế PWM cải biến và lập trình nhúng cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng thực tế. Thời gian triển khai 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và lập trình nhúng, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp: Giải thuật và kết quả thực nghiệm giúp cải thiện hiệu suất thiết bị, giảm tổn hao và chi phí bảo trì trong các hệ thống biến tần và truyền động điện.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy, phát triển các đề tài nghiên cứu mới về điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều chế.

4. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Áp dụng giải thuật để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tổn hao điện năng và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật điều chế PWM cải biến có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Giải thuật sử dụng hàm offset bậc 3 để dịch chuyển điện áp điều khiển về gần các ngưỡng sóng mang, giảm số lần chuyển mạch lên đến 33% trên lý thuyết và 15.25% thực nghiệm, giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Phương pháp này có cần sử dụng cảm biến dòng điện hay điện áp tải không?
   Không. Giải thuật hoạt động dựa trên điện áp điều khiển và sóng mang, không yêu cầu cảm biến dòng hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và độ phức tạp hệ thống.

3. Kết quả thực nghiệm có tương đồng với mô phỏng không?
   Có. Kết quả thực nghiệm trên phần cứng IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335 cho thấy điện áp và dòng điện tải có dạng sóng gần giống mô phỏng, THD điện áp đạt khoảng 3.57% ở m = 0.5, chứng minh tính khả thi của giải thuật.

4. Giải thuật có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác không?
   Giải thuật được thiết kế cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H, tuy nhiên nguyên lý điều chỉnh điện áp điều khiển bằng hàm offset có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác với một số hiệu chỉnh phù hợp.

5. Làm thế nào để triển khai giải thuật trên hệ thống thực tế?
   Giải thuật được lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 sử dụng MATLAB/Simulink kết hợp Code Composer Studio V6, tự động biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp vào vi xử lý, giúp triển khai nhanh chóng mà không cần lập trình lại thủ công.

Kết luận

• Đã phát triển thành công giải thuật điều chế PWM cải biến sử dụng hàm offset bậc 3 cho bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H, giảm số lần chuyển mạch tối đa 33% trên lý thuyết và 15.25% thực nghiệm.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy chất lượng điện áp và dòng điện tải được cải thiện với THD điện áp dưới 6%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
• Giải thuật không yêu cầu cảm biến dòng điện hay điện áp tải, giảm chi phí phần cứng và tăng độ tin cậy hệ thống.
• Phương pháp lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 giúp triển khai nhanh chóng và hiệu quả giải thuật trên phần cứng thực tế.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cân bằng điện áp trung tính và mở rộng ứng dụng giải thuật cho các cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng giải thuật vào thực tế, đồng thời phát triển các khóa đào tạo chuyên sâu để nâng cao năng lực kỹ thuật trong lĩnh vực 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 BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 5 1 8 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: TS. QUÁCH THANH HẢI Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 4/2017 Luan van Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Bùi Minh Ẩn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1982 Nơi sinh: Long An Quê quán: Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Ấp 1 xã Mỹ Phú huyện Thủ Thừa Tỉnh Long An. Điện thoại cơ quan: 0723 827 694 Di động: [phone] Fax: [phone] Email: buiminhan2009@gmail. QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO: Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.

HCM Trình độ: Kỹ sƣ Ngành học: Điện công nghiệp III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 05/2006 Trƣờng Trung cấp nghề Cần Giuộc Giáo viên giảng dạy đến 5/2014 tại khoa Điện Từ 6/2014 Trƣờng Cao đẳng nghề Long An Giáo viên giảng dạy đến nay tại khoa Điện – Điện tử HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang i Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải 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. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 05 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Bùi Minh Ẩn HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang ii Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS.

Quách Thanh Hải, Ths. Đỗ Đức Trí, đã tận tình hƣớng dẫn tôi để thực hiện luận văn. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho tôi.

Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D405 trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ và bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian học. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn. Học viên Bùi Minh Ẩn HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang iii Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch từ đó giảm tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lƣu cầu H-NPC 5 bậc.

Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về ngƣỡng so sánh là cực đại hoặc cực tiểu của biên độ các sóng mang trên cơ sở điều chế gián đoạn. Việc chuyển điện áp điều khiển của pha nào về nhiều ngƣỡng khác nhau và đƣợc lựa chọn tối ƣu sao cho biên độ điện áp offset là nhỏ nhất. Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu toàn bộ các ngƣỡng so sánh của sóng mang sẽ đƣợc sử dụng để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Số lần chuyển mạch/pha/chu kỳ có thể giảm đến 33% theo lý thuyết và có thể đạt 15.25% ở tần số sóng mang 3000Hz.

Kết quả của giải thuật đƣợc kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm. Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K. Các giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V6 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại. HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang iv Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải ABSTRACT This thesis implement carrier modulation with a novel offset based to reduce switching loss in five-level H-brigde neutral point clamped inverter will be presented in this paper.

The proposed technique uses the offset is 3rd voltages to transfer the control voltage into the levels of each carriers. This transferring is depend on the distances of control voltage to levels is minimum. So that in this research five levels of carrier will be used to reduce the intersection of control and the carrier wave to reduce the number of switching losses. With the pulse width modulation method and flexible offset voltages in this study, the number of switchings/phase in a cycle can be reduced about 33% in theory and 15.25% in experimental at frequency carrier 3000Hz.

Simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed method. The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120. The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink combined with the software Code Composer Studio V6, which compile automatically to C-language and download to processor without programming again. HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang v Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC.

i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM TẠ. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN. vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT. x DANH SÁCH HÌNH.

x DANH SÁCH BẢNG. xv Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1Tổng quan về l nh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.1 Tổng quan chung về l nh vực nghiên cứu .2 Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc……………………………………… 2 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ……………………………………… 3 1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý ngh a khoa học và thực tiễn của đề tài .3 Mục đích của đề tài .4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .6 Điểm mới của đề tài : .7 Giá trị thực tiễn của đề tài :. 6 Chƣơng 2: CƠ SỞ L THUYẾT…………………………………………………… 7 2.1 Tổng quan về nghịch lƣu đa bậc .2 Các cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc .1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) .2 Cấu trúc bộ nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] .3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng cascade. 9 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang vi Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải 2.4 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng H-NPC .3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM .2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM)13 2.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: .1 Khái niệm vector không gian………………………………………….2 Vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc……………………….3 Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc….17 Chƣơng 3: GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH…………………………………………………………….1 Nguyên lý bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC .2 Phƣơng pháp PWM đề xuất cho bộ nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch.3 Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch .1 Thông số mô phỏng .2 Mô hình mô phỏng .3 Chức năng các khối trong mô hình .1 Khối tạo sóng sin .2 Khối sóng mang .3 Sơ đồ khối xung kích .4 Kết quả mô phỏng .1 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.2 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.3 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.4 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.5 Bảng phân tích FFT áp tải và dòng điện tải với các chỉ số điều chế m .1 Phân tích FFT điện áp tải.

35 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang vii Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải 3.2 Phân tích FFT dòng điện tải .6 So sánh phƣơng pháp đề xuất với các phƣơng pháp đã công bố ở Việt Nam. 37 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm .2 Mạch động lực .3 Mạch điều khiển .4 Module mạch kích .5 Mạch nguồn kích các IGBT .6 Tổng thể mô hình thực nghiệm .7 Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng .1 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng .2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink .8 Kết quả thực nghiệm trên tải R-L, R = 40Ω và L = 100mH.1 Kết quả thực nghiệm với chỉ số m = 0.2 Kết quả thực nghiệm với chỉ số điều chế m = 1.3 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải .4 Đặc tuyến điều khiển điện áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m .5 So sánh THD Uta giữa mô phỏng và thực nghiệm .6 So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam.9 Khảo sát số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất. 55 CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .1 Những kết quả đạt đƣợc .3 Hƣớng phát triển của đề tài. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

60 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang viii Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT A : Ampe – Đơn vị đo dòng điện Ac : Biên độ đỉnh sóng mang Am : Biên độ đỉnh sóng điều khiển APOD : Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800. C : Tụ lọc nguồn DC. CPWM : Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mang PWM fc : Tần số sóng mang fm : Tần số sóng điều khiển H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H IA : Dòng điện tải pha A. K : Số khóa chuyển mạch/1 pha L : Điện cảm tải.

m : Chỉ số điều chế.