Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung Cho Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điện kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba bậc npc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Nguyễn Duy Tường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung Cho Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.6. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
• 2.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp
• 2.2. Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp
• 2.3. Phân loại bộ nghịch lưu áp
• 2.4. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• 2.5. Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• 2.6. Trạng thái đóng ngắt
• 2.7. Sự chuyển mạch
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
• 3.1. Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian
• 3.2. Vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• 3.3. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢM VÀ TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON-MODE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
• 4.1. Điện áp common-mode (CMMV)
• 4.2. Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode
• 4.3. Giảm điện áp common-mode
• 4.4. Triệt tiêu điện áp common-mode
• 5. CHƯƠNG 5: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CHO BỘ NGHỊCH LƯU NPC BA PHA TÁM KHÓA
• 5.1. Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
• 5.2. Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
• 5.3. Trường hợp điện áp hai tụ điện cân bằng
• 5.4. Trường hợp điện áp hai tụ không cân bằng
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU NPC
• 6.1. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• 6.2. Kết quả mô phỏng
• 6.3. Trường hợp điện áp hai tụ điện cân bằng
• 6.4. Trường hợp điện áp hai tụ điện không cân bằng
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
• 7.1. Phương pháp thực nghiệm
• 7.2. Mô hình thực nghiệm
• 7.3. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• 7.4. Bộ nghịch lưu ba pha tám khóa
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC đang trở thành một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC, với khả năng điều khiển điện áp và dòng điện hiệu quả, đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo và truyền động điện. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế PWM không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch.

1.1. Khái Niệm Về Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC

Bộ nghịch lưu ba bậc NPC là một cấu trúc điện tử công suất cho phép chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang điện xoay chiều. Cấu trúc này giúp giảm thiểu điện áp common-mode, một yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

1.2. Lợi Ích Của Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu tổn thất năng lượng, cải thiện hiệu suất hoạt động và giảm thiểu độ méo hài. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất tối ưu.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Kỹ Thuật Điều Chế PWM

Mặc dù kỹ thuật điều chế PWM mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như điện áp common-mode, tổn thất năng lượng do chuyển mạch và độ méo hài vẫn là những yếu tố cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Việc tìm ra giải pháp hiệu quả cho những vấn đề này sẽ giúp nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu ba bậc NPC.

2.1. Điện Áp Common Mode Và Ảnh Hưởng Của Nó

Điện áp common-mode là một vấn đề nghiêm trọng trong các bộ nghịch lưu, gây ra hiện tượng nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị. Việc giảm thiểu điện áp này là một trong những mục tiêu chính trong nghiên cứu kỹ thuật điều chế PWM.

2.2. Tổn Thất Năng Lượng Do Chuyển Mạch

Tổn thất năng lượng do chuyển mạch là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ nghịch lưu. Việc tối ưu hóa tần số chuyển mạch và thời gian đóng ngắt có thể giúp giảm thiểu tổn thất này.

III. Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Hiệu Quả

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến bộ nghịch lưu ba bậc NPC, nhiều phương pháp điều chế PWM đã được đề xuất. Các phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng mà còn cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Việc áp dụng các kỹ thuật điều chế tiên tiến sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc điều khiển bộ nghịch lưu.

3.1. Kỹ Thuật Điều Chế Vector Không Gian

Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC. Phương pháp này giúp tối ưu hóa điện áp đầu ra và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

3.2. Phương Pháp Điều Chế Sóng Mang

Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu điện áp common-mode. Kỹ thuật này cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn trong các ứng dụng thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kỹ Thuật Điều Chế PWM

Kỹ thuật điều chế PWM cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ năng lượng tái tạo đến truyền động điện. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng thực tiễn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp điện tử công suất.

4.1. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Tái Tạo

Kỹ thuật điều chế PWM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ nghịch lưu giúp tăng cường khả năng khai thác năng lượng từ các nguồn tái tạo.

4.2. Ứng Dụng Trong Truyền Động Điện

Trong lĩnh vực truyền động điện, kỹ thuật điều chế PWM giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các động cơ điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất tối ưu.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Kỹ Thuật Điều Chế PWM

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC đang ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử công suất. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Tương lai của kỹ thuật này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều chế mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp điện tử công suất.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Kỹ Thuật Điều Chế PWM

Kỹ thuật điều chế PWM không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của bộ nghịch lưu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng điện tử công suất hiện đại. Sự phát triển của kỹ thuật này sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử công suất, bộ nghịch lưu đa bậc đã trở thành thành phần quan trọng trong các hệ thống truyền động điện và biến tần công suất lớn. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng diode kẹp (NPC) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng tạo ra điện áp ngõ ra với nhiều mức, giúp giảm méo hài tổng (THD) và giảm tổn hao chuyển mạch so với bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống. Tuy nhiên, các vấn đề như tổn hao do chuyển mạch, điện áp common-mode (CMV) gây nhiễu điện từ và ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị, cũng như khả năng chịu lỗi khi có sự cố linh kiện vẫn là thách thức lớn trong thiết kế và điều khiển bộ nghịch lưu.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) nhằm điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC, đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode, từ đó giảm tổn hao và nhiễu điện từ. Ngoài ra, đề tài còn đề xuất phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa nhằm duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố hở mạch một nhánh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink và PSIM, cùng thực nghiệm trên mô hình sử dụng DSP TMS320F28335 với tải ba pha RL, hoàn thành trong khoảng thời gian từ tháng 7/2015 đến tháng 6/2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển giải thuật điều chế tối ưu cho bộ nghịch lưu đa bậc, đồng thời có giá trị thực tiễn cao trong ứng dụng chế tạo biến tần, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống 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 sau:

• Bộ nghịch lưu ba bậc NPC: Cấu trúc gồm nguồn DC phân chia thành hai tụ điện mắc nối tiếp, với các khóa công suất và diode kẹp tạo ra ba mức điện áp pha (+Vdc/2, 0, -Vdc/2). Bộ nghịch lưu này giúp giảm THD và dv/dt so với bộ nghịch lưu hai bậc, nhưng đòi hỏi cân bằng điện áp tụ và kiểm soát phức tạp.

• Phép biến hình vector không gian: Biến đổi đại lượng điện áp ba pha cân bằng thành vector không gian trong mặt phẳng phức, giúp mô tả và điều khiển điện áp ngõ ra một cách hiệu quả.

• Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM): Kỹ thuật điều chế hiện đại, tạo ra điện áp ngõ ra gần dạng sin với biên độ tuyến tính, giảm sóng hài bậc cao và tổn hao chuyển mạch. SVPWM phân chia không gian vector thành các tam giác đều, xác định thời gian tác dụng của các vector đỉnh để tái tạo vector tham chiếu.

• Điện áp common-mode (CMV): Điện áp giữa trung tính tải và tâm nguồn DC, là nguyên nhân gây nhiễu EMI và hư hại cơ cấu chấp hành. Giảm và triệt tiêu CMV là mục tiêu quan trọng trong điều khiển bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên MATLAB/Simulink và PSIM, cùng kết quả thực nghiệm trên mô hình bộ nghịch lưu ba bậc NPC sử dụng DSP TMS320F28335 điều khiển tải ba pha RL.

• Phương pháp phân tích: Phân tích trạng thái đóng ngắt của các khóa công suất, xác định vector không gian và thời gian tác dụng theo SVPWM. Tính toán và đánh giá điện áp common-mode dựa trên trạng thái đóng ngắt. Mô phỏng các trường hợp điện áp tụ cân bằng và không cân bằng, cùng với sự cố hở mạch một nhánh.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 7/2015, hoàn thành tháng 6/2016, bao gồm giai đoạn thiết kế lý thuyết, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm và kiểm chứng kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC với tải RL ba pha, phù hợp để đánh giá hiệu quả điều khiển và giảm CMV trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển bằng SVPWM: Phương pháp điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC tạo ra điện áp dây và dòng điện tải gần dạng sin với THD giảm đáng kể so với phương pháp sáu bước truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp dây có năm mức, giúp giảm THD và dv/dt, đồng thời giảm tổn hao chuyển mạch.

2. Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode: Phân tích và tính toán điện áp CMV cho từng trạng thái đóng ngắt cho thấy SVPWM có thể giảm điện áp CMV xuống mức thấp hơn nhiều so với phương pháp điều chế truyền thống. Thực nghiệm xác nhận điện áp CMV giảm khoảng 30-40%, góp phần giảm nhiễu EMI và tăng tuổi thọ thiết bị.

3. Khả năng chịu lỗi khi sự cố hở mạch: Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa cho phép bộ nghịch lưu tiếp tục hoạt động khi một nhánh bị hở mạch. Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy dòng điện ngõ ra vẫn cân bằng trong điều kiện điện áp tụ không cân bằng, đảm bảo vận hành liên tục và an toàn.

4. Tính đơn giản và hiệu quả của phương pháp điều chế sóng mang: Phương pháp dựa trên so sánh tín hiệu điều chế với sóng mang tần số cao, không cần tính toán phức tạp, giúp giảm tải xử lý cho bộ vi xử lý, phù hợp với các ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy SVPWM là giải pháp tối ưu cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC, vừa đảm bảo chất lượng điện áp ngõ ra, vừa giảm tổn hao và điện áp common-mode. Việc giảm CMV không chỉ làm giảm nhiễu điện từ mà còn hạn chế dòng điện vòng trong động cơ, kéo dài tuổi thọ ổ bi và các thiết bị cơ khí liên quan.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu tám khóa khi có sự cố hở mạch là bước tiến quan trọng, nâng cao độ tin cậy hệ thống. Dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm được trình bày qua các biểu đồ điện áp dây, dòng điện tải và điện áp CMV minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Tuy nhiên, phương pháp SVPWM đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán cao và bộ nhớ lớn, điều này có thể là hạn chế trong một số ứng dụng công nghiệp. Việc cân bằng điện áp tụ vẫn là thách thức cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng SVPWM trong biến tần công nghiệp: Áp dụng kỹ thuật điều chế vector không gian cho các bộ nghịch lưu ba bậc NPC trong các biến tần công suất trung bình và lớn nhằm giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất biến tần.

2. Phát triển giải pháp điều khiển chịu lỗi cho bộ nghịch lưu đa bậc: Nghiên cứu và hoàn thiện phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu tám khóa nhằm duy trì hoạt động liên tục khi có sự cố hở mạch, nâng cao độ tin cậy hệ thống. Thời gian: 1 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử công suất.

3. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho bộ vi xử lý công suất thấp: Đơn giản hóa thuật toán SVPWM và điều chế sóng mang để phù hợp với các bộ vi xử lý có hiệu năng hạn chế, giảm chi phí thiết bị. Thời gian: 1-1.5 năm, chủ thể: các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất vi điều khiển.

4. Nghiên cứu cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lưu NPC: Phát triển các thuật toán điều khiển tự động cân bằng điện áp trên các tụ điện nhằm đảm bảo hiệu suất và độ bền của bộ nghịch lưu. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện, Điện tử công suất: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế vector không gian và giải pháp giảm điện áp common-mode, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động điện: Tham khảo các phương pháp điều khiển tối ưu giúp cải thiện hiệu suất, giảm tổn hao và tăng độ tin cậy cho sản phẩm biến tần.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển các giải pháp điều khiển mới, đặc biệt trong điều kiện sự cố và cân bằng điện áp tụ.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) là gì?
   SVPWM là kỹ thuật điều chế điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng cách biểu diễn điện áp ba pha dưới dạng vector không gian trong mặt phẳng phức, từ đó xác định thời gian tác dụng của các trạng thái đóng ngắt để tạo ra điện áp gần dạng sin với THD thấp. Ví dụ, SVPWM giúp giảm sóng hài bậc cao so với phương pháp sáu bước truyền thống.

2. Điện áp common-mode (CMV) ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống?
   CMV là điện áp giữa trung tính tải và tâm nguồn DC, gây ra dòng điện vòng trong động cơ, làm hư hại ổ bi và phát sinh nhiễu điện từ (EMI). Giảm CMV giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm nhiễu cho các thiết bị xung quanh.

3. Làm thế nào để bộ nghịch lưu hoạt động khi có sự cố hở mạch một nhánh?
   Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa cho phép điều khiển linh hoạt, duy trì dòng điện ngõ ra cân bằng ngay cả khi một nhánh bị hở mạch, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn cho hệ thống.

4. Ưu điểm của bộ nghịch lưu ba bậc NPC so với bộ nghịch lưu hai bậc là gì?
   Bộ nghịch lưu ba bậc NPC tạo ra điện áp ngõ ra với nhiều mức hơn (năm mức điện áp dây), giúp giảm THD, giảm dv/dt và tổn hao chuyển mạch, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp so với bộ nghịch lưu hai bậc.

5. Phương pháp điều chế sóng mang được thực hiện như thế nào?
   Phương pháp dựa trên so sánh tín hiệu điều chế với sóng mang tam giác tần số cao để xác định chuỗi đóng ngắt các khóa công suất. Cách làm này đơn giản, không cần tính toán phức tạp, phù hợp cho các bộ vi xử lý công suất thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và nghiên cứu thành công kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC, đồng thời giảm và triệt tiêu hiệu quả điện áp common-mode.
• Phương pháp điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu ba pha tám khóa giúp duy trì hoạt động liên tục khi có sự cố hở mạch một nhánh, nâng cao độ tin cậy hệ thống.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp đề xuất, với giảm THD, giảm tổn hao chuyển mạch và giảm CMV khoảng 30-40%.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải thuật điều khiển tối ưu cho bộ nghịch lưu đa bậc trong các ứng dụng công nghiệp và truyền động điện.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu thuật toán cho bộ vi xử lý công suất thấp, nghiên cứu cân bằng điện áp tụ và ứng dụng thực tế trong biến tần công nghiệp.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất nên áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp điều khiển này để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là nên công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử công suất càng cho thay tam quan trong của minh khi dang được ứng dung rộng rãi vào trong hau hết các ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất cũng như trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng phục vụ đời sống sinh hoạt của con người. Điện tử công suất đã giúp tạo ra các bộ truyền động điện mới, các bộ lọc tích cực mới. Cau trúc chính trong các bộ truyền động là mạch nghịch lưu.

Băng cách nghiên cứu phát triển các cau trúc và các phương pháp điều khiến mạch nghịch lưu chúng ta có nhiều bộ truyền động khác nhau tối ưu hơn. Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverter) với những ưu điểm vượt trội của nó được phát triển để giải quyết các vấn đề hạn chế của bộ nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Tuy nhiên có một thực tế là ứng dụng các cau trúc điện tử công suất trong mạch nghịch lưu bị giới hạn khá nhiều bởi các đặc tính điện của linh kiện bán dẫn công suất như điện áp chịu đựng và tan số đóng cắt. Dé giải quyết van dé này các cau trúc ghép nối tiếp các linh kiện công suất đã được dé xuất như cấu trúc cascade cầu H được đưa ra bởi R.

Bannister (1975), câu trúc diode kẹp được đưa ra boi Baker vào năm 1980, cầu trúc flying-capacitor đưa ra bởi T. Foch (1992) và hàng loạt cau trúc lai gần đây. Kết quả là hiện nay có khá nhiều cau trúc nghịch lưu đa bậc và công suất mạch nghịch lưu ngày càng tăng. Bên cạnh đó, việc ngày càng tăng của giá thành năng lượng, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch thì việc nghiên cứu các giải thuật điều chế để giảm ton hao do chuyển mạch là một vẫn đề cấp thiết được đặt ra.

Tuy nhiên có một thực tế là hầu hết trường hợp giảm chuyền mạch nhằm giảm ton hao đều dẫn đến tăng hệ số méo hài tong và biên độ các sóng hài bậc thấp. Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị điện tử công suất còn phát sinh điện áp common mode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơ cau chấp hành. Vì vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điều chế tối ưu làm giảm số lần chuyển mạch của các linh kiện trên mạch nghịch lưu, giảm hoặc triệt tiêu điện áp common mode mà vẫn đảm bảo độ méo hài tong (THD) và biên độ các sóng hài bậc thấp van nam trong giới hạn cho phép theo hàm mục tiêu là yêu cầu cấp thiết. Ngoài ra, trong bộ nghịch lưu đa bậc, sỐ lượng thiết bị điện tử công suất và nguồn điện áp sẽ tăng khi số bậc của nghịch lưu tăng.

Chính vì thế, số lượng thiết bi và mạch điều khiến sẽ trở nên phức tạp và công kénh hơn. Hệ thống bộ nghịch lưu đa bậc gom nhiéu thiét bi dong ngat nên xác suất hu hỏng thiết bị sẽ cao hơn dẫn đến độ tin cậy của hệ thống của hệ thống giảm. Khi một thiết bị bị hư hỏng thì bộ nghịch lưu sẽ ngừng hoạt động dé đảm bảo an toàn cho hệ thông. Vì vây, khả năng chịu lỗi ngày càng quan trọng trong ứng dụng đòi hỏi cao về độ an toàn, bộ nghịch lưu phải được hoạt động trong suốt quá trình xảy ra sự cô cũng là một vân đề cân được quan tâm.

Mục tiêu đề tài - Thiết kế bộ nghịch lưu ba bậc chứa cặp diode kẹp (NPC) và nghiên cứu phương pháp điều chế vector không gian để điều khiến bộ nghịch lưu đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode. - Sử dung phương pháp điều chế sóng mang dé điều khiến bộ nghịch lưu ba bậc NPC khi một nhánh của bộ nghịch lưu bị sự cô hở mạch hay còn gọi là bộ nghịch lưu NPC ba pha tám khóa. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu gồm hai phần: mô phỏng và thực nghiệm - Mô phỏng: Sử dụng phan mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink và PSIM dé mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiến tải ba pha RL băng phương pháp điều chế vector không gian đồng thời giảm và triệt tiêu điện áp common-mode và bộ nghịch lưu NPC ba pha tám khóa băng phương pháp điều chế sóng mang trong hai trường hợp điện áp tụ cân băng và không cân bằng. - Thực nghiệm: nhăm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiến thực tế sử dụng Card DSP TMS320F28335 của hang TI với tải được sử dụng là tai ba pha RL.

Y nghĩa khoa học - Trên cơ sở giải thuật điêu chê vector không gian đê giảm và triệt tiêu điện áp common- mode cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC. - Đề xuất phương pháp điều chế sóng mang dé giải quyết van dé sự có hở mạch một nhánh của bộ nghịch lưu ba bậc NPC. - Thiết kế mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu. Y nghĩa thực tiễn - Kết quả của dé tai là cơ sở cho việc phát triển và ứng dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC vào việc chế tạo biến tần trong thực tế.

Bồ cục luận văn Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương = Chương 1: Giới thiệu tổng quan dé tài. =" Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bac NPC. "_ Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC. = Chương 4: Giảm và triệt tiêu điện áp common-mode dựa trên phương pháp điều chế vector không gian.

= Chương 5: Kỹ thuật điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu NPC ba pha tám khóa. = Chương 6: Thực hiện mô phỏng bộ nghịch lưu NPC bang phần mềm MA TLAB/Simulink và PSIM 9. = Chương 7: Thiết kế và tiễn hành thực nghiệm bộ nghịch lưu NPC. = Két luận và dé xuât các hướng nghiên cứu tiép theo.

CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC 2. Tong quan về bộ nghịch lưu áp 2. Giới thiệu về bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp có nhiệm vụ chuyền đổi năng lượng từ nguồn điện áp một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện áp xoay chiều để cung cấp và điều khiến cho tải xoay chiều ở ngo ra. Nguồn điện áp một chiều có thé ở dang đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gôm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phăng.

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức là đóng vai trò một công tac. Trong các ứng dụng công suất nhỏ và vừa, có thé sử dung các khóa bán dẫn là BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi công suất lớn có thé sử dụng GTO, IGCT hay SCR kết hợp với bộ chuyển mach. Với tải tong quát, mỗi công tắc còn trang bị một diode mac đối song với nó. Các diode mắc đối song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiến có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc.

Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đôi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tac. Phân loại bộ nghịch lưu áp Phân loại các mô hình bộ biến tần chủ yếu dựa vào sự khác nhau của bộ nghịch lưu. e Phan loại theo điện áp dau ra: ngõ ra là điện áp | pha và 3 pha. e Phan loại theo bậc của bộ nghịch lưu: 3 bậc, 5 bậc, 7 bac.

e Phan loại theo phương pháp điều khiển: phương pháp điều chế độ rộng xung, phương pháp điều rộng xung cải biên, phương pháp vector không gian. Các mô hình của bộ nghịch lưu bao gồm: dạng cascade cầu, dạng diode kẹp NPC, dạng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor). Bộ nghịch lưu cầu H dạng cascade Pha A Pha B Pha C Ỉ 4 rg Si. mi DU] + TT aig 4+ ma.

ea úp: a ray A Fobyl] A TT Ya iy ma.) Te ES c- Hinh 2.1: Bo nghich luu cascade chin bac Cau tao: Gồm các bộ nghịch lưu cầu H nối cascade với nhau. Ứng dụng: Bộ nghịch lưu này được thiết kế phù hợp với những ứng dụng trong nguồn năng lượng mới, hay những ứng dụng sử dụng pin.Trong đó, một chuỗi các pin riêng lẽ với mức điện áp DC bằng nhau được kết nôi với các khoá đóng ngắt IGBT theo cầu hình cầu H để tạo ra nguôn điện xoay chiều với công suất lớn cung cấp cho lưới điện hay dân dụng. Ưu điểm: e Tao ra sô bậc điện áp gap hon hai lân sô nguôn DC e Do hệ thống nghịch lưu ghép từ các bộ nghịch lưu cầu H đơn giản nên mạch dễ thi công thành các module nhỏ. Do vậy, dễ dàng sản xuất hay kiểm tra hàng loạt.

Nhược điểm: Do yêu cau các nguồn DC riêng biệt cho mỗi cau H, nên làm giảm khả năng ứng dụng thực tế khi chỉ có một nguồn DC (do đó can các bộ biến áp cách li lớn đi kèm trong thực tế dẫn đến công kênh). Bộ nghịch lưu dang diode kẹp NPC + + AP. -| l§ : 4 4 k} he hf 4 BE 7 | ¿|| ‡ “tha | “th Kol | | ea AL] ] ape 6 OA] | | Ake Cầu tạo: Được giới thiệu bởi Nabae, Takahashi và akagi vào năm 1981. Bộ nghịch lưu sử dụng các diode kẹp giữa các cặp khoá kích đối nghịch, điện áp DC tạo nên từ chỉnh 6 lưu nguồn điện AC và được phân chia thay các điện áp nhỏ nhờ chuỗi các tụ điện mắc noi tiếp.

Ứng dụng: Do van dé về cân băng các tụ điện và điện áp ngược trên diode. Nên trên thị trường chỉ thong dụng bộ nghịch lưu 3 bậc NPC. Ưu điểm: e Tất cả các pha sử dung chung duy nhất một nguồn DC, nên có ứng dụng thực tiễn. e Hiệu quả cao trong đóng ngắt tần số cơ bản.

Nhược điểm: e Tu điện nạp xả thiếu chính xác làm sai lệch giá trị ở ngõ ra. Do vậy vấn đề cân băng điện áp trên các tụ điện cần được quan tâm. ° Đồng thời điện áp ngược đặt lên các diode không đồng đều (khi số bậc lớn hơn 3) dẫn đến không khả thi khi tăng số bậc của biến tần đa bậc lên. Hiện nay có các kỹ thuật như nối chuỗi các diode chịu áp ngược thấp hay thay đổi cấu hình cấu hình để phù hợp với mức chịu đựng của diode.