Luận Án Tiến Sĩ: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Điều Chế Độ Rộng Xung Tối Ưu Cho Nghịch Lưu Đa Bậc

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung tối ưu cho nghịch lưu đa bậc trong luận án tiến sĩ thiết bị điện, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

• Tác giả: Quách Thanh Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh - Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Thiết bị điện
• Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung tối ưu cho nghịch lưu đa bậc
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Luận án tập trung vào nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) tối ưu cho nghịch lưu đa bậc. Mục tiêu chính là giảm tổn hao do chuyển mạch và cải thiện hiệu suất năng lượng. Sáu giải thuật PWM được đề xuất, mỗi giải thuật có hàm mục tiêu tối ưu khác nhau, bao gồm giảm tổn hao, tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển. Các giải thuật này được xây dựng trên các hàm toán học đơn giản, không sử dụng bảng tra, giúp tiết kiệm bộ nhớ và dễ dàng áp dụng cho nhiều cấu trúc nghịch lưu khác nhau.

1.1. Giải thuật giảm tổn hao chuyển mạch

Ba giải thuật đầu tiên tập trung vào việc giảm tổn hao do chuyển mạch và cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển. Các giải thuật này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất của nghịch lưu đa bậc bằng cách giảm thiểu số lần chuyển mạch và điều chỉnh điện áp điều khiển một cách chính xác. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

1.2. Giải thuật tiêu điện áp common mode

Hai giải thuật tiếp theo nhằm mục đích tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển. Điện áp common mode là một vấn đề phổ biến trong nghịch lưu đa bậc, gây ra nhiễu và ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống. Các giải thuật này sử dụng phương pháp điều chế vector không gian để loại bỏ điện áp common mode, đồng thời duy trì sai biệt điện áp điều khiển ở mức tối thiểu.

II. Ứng dụng thực tế và đánh giá

Luận án không chỉ dừng lại ở việc đề xuất các giải thuật mà còn tiến hành mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả. Các giải thuật được áp dụng trên nhiều cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác nhau, từ nghịch lưu 3 pha 5 bậc đến 31 bậc. Kết quả cho thấy các giải thuật này không chỉ giảm tổn hao mà còn cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, đáp ứng các tiêu chuẩn về méo hài tổng (THD) và điện áp common mode.

2.1. Mô phỏng và thực nghiệm

Các giải thuật được mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và kiểm chứng qua thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu đa bậc. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải thuật trong thực tế. Đặc biệt, các giải thuật này có thể áp dụng cho nhiều cấu trúc nghịch lưu khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp.

2.2. Đánh giá hiệu quả

Hiệu quả của các giải thuật được đánh giá dựa trên các tiêu chí như tổn hao chuyển mạch, méo hài tổng (THD), và điện áp common mode. Kết quả cho thấy các giải thuật đề xuất không chỉ giảm tổn hao mà còn cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như EN61000-2-2. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của luận án trong việc ứng dụng vào các hệ thống điện công nghiệp.

III. Đóng góp khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã đóng góp đáng kể vào lĩnh vực thiết bị điện và kỹ thuật điều chế bằng cách đề xuất các giải thuật PWM tối ưu cho nghịch lưu đa bậc. Các giải thuật này không chỉ giúp giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất mà còn đáp ứng nhu cầu tiết kiệm năng lượng trong bối cảnh hiện nay. Ngoài ra, luận án còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa các hệ thống điện công nghiệp.

3.1. Đóng góp khoa học

Luận án đã đề xuất sáu giải thuật PWM tối ưu, mỗi giải thuật có hàm mục tiêu riêng, từ giảm tổn hao đến tiêu điện áp common mode. Các giải thuật này được xây dựng trên cơ sở toán học đơn giản, không sử dụng bảng tra, giúp tiết kiệm bộ nhớ và dễ dàng áp dụng. Đây là một đóng góp quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều chế và thiết bị điện.

3.2. Ý nghĩa thực tiễn

Các giải thuật đề xuất trong luận án có khả năng ứng dụng cao trong thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống nghịch lưu đa bậc công nghiệp. Chúng không chỉ giúp giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng điện. Điều này mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất thiết bị điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE NGHỊCH LƯU ĐA BẠC.1 Mach nghịch lưu 2 bậc.2 Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp.- 5-5 S21 1211512115151112111 1E tt tr re 8 1.3 Nghịch lưu da bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter).4 Nghịch lưu da bậc kiêu lai (Hybrid mutilevel inverter). Nghịch lưu da bậc kiểu cascade diode PP. Nghịch lưu da bậc kiểu cascade cẩu H oocccccccccccccccccccccesccevesesesesesesevevevevevevevevees 17 15 — Kết luận chương Ï. 2111 111121111111111 11112 TH HH HH tr.

19 CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DIEU CHE TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BAC. Phuong pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM). Phuong pháp PWM cải biến (SFO-PWM!). Phương pháp điều chế vector không gian.

Cac nghiên cứu về giải thuật tôi ưu trong nghịch lưu đa bậc.---s-sszsszs5 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KE MÔ HÌNH THUC NGHIỆM. Câu trúc mô hình nghịch Ïưu. Module cầu H và mạch lái.- 2T TT T11 15 1 5n HH HH Hy 34 3. Module nguôn chỉnh lưu.-- tt S121 53531551551515151111122181111E T111 EE T1 tàn 38 3.

_ Kết quả chương 3. SE 1 121111211111 11111151111 E122 1E HH HH tàn 42 CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYỂN MACH VÀ CUC TIỂU SAI SO VECTOR DIEU KHIỂN. — Giải thuật một vector cực tiêu sai số vector điều khiển. Nguyen Ly BiGi thud 8n.

TH TH HH HH HH tu 47 4. Khao sat va ddnh Bid BiGi thud 000. e cece teat eee aetenseeennes 48 4. Giai thuật hai vector với sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu.

Nguyen Ly BiGi thud 88 nn58. Lưu đồ giải Udit ooo eccceccccccccccccccececesesvereseseeverssesvsvesessavereseesevereeseveusreeveveeeeeee 62 4. Khao sát và đánh giá giải tHUẬI. ccc SS v1 vn vn vệy 64 4.

— Giải thuật ba V€CẨOT. Nguyen Ly BiGi thud 8n. Lưu đồ giải thUGit ooo cccccccccccccccccvsceceseevevsseseeverseesvsvesessavsrsesavsvereeveveusreevaveeeseee 73 4. Khao sát và đánh giá giải tHUẬI.

ccc SS v1 vn vn vệy 74 4. Kết luận chương 4. s S111 122111 1112811 tt HH HH Huệ 78 CHƯƠNG 5: GIẢI THUAT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN. MACH, TRIET TIEU ĐIỆN AP COMMON MODE, CỰC TIỂU SAI SO ĐIỆN AP DIEU S5.

Khai niệm về điện áp COMMON mode. - cece cee 211122122211 11 11558511111 15881 1x re. _ Giải thuật một vector triệt tiêu điện áp common mode.--¿¿ c cece cece 82 HA. Lưu đồ giải tht ooo cece ccccscccesesecseseesescesesessesvsseeesvssssvsecistisststsivivsessvsteevtees 85 5.

Khảo sát và đánh giá giải thu. Giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode và giảm tốn hao. Nguyen IY Sidi thu an. ST nh HH HH tre 100 5.

Khảo sát và đánh giá giải thHẬI. Kết luận chương §. n1 1E TT ng HT HH tường 106 CHƯƠNG 6: GIẢI THUAT PHOI HỢP GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN MẠCH VÀ KHONG CHE SAI BIỆT ĐIỆN ÁP DIEU KHIÉN. Nguyên lý giải thuật.

1 S2 1v 122111 11121111 1111111 2 1 HH HH re 111 6. Khao sát và đánh giá giải thuật. Kot luận chương 6.2 1 1 121111 11121111 1E 1 E121 HH HH tre 125 KET LUẬN VA DE NGHỊ. 2Ä 2151155111155 111 5112511221 12122 se 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CUA TÁC GIẢ.-- 222221111255 11 1551112125 reee 129 TÀI LIEU THAM KHẢO.- 2S 32315215515 5551 15555115551 1211 12111252125 se 130 VỊ DANH MỤC CÁC HÌNH ANH Hình 1.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc (a) va 1 pha câu H (b).2: Mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc.3: Mach nghịch lưu kiểu diode kẹp 5 D&C .4: Câu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc.-- cece 2122211111 11221 1111152111111 1n k tr Hàu 12 Hình 1.5: Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode SA cece cece ccneceeccnteteeecensteteeennneeens 16 Hình 1.6: Cau trúc 1 pha mach nghịch lưu CMH a) tổng quát; b) CMH 5/30.1: Nguyên ly điều chế độ rộng xung sinPWM.2: Cách bồ trí sóng mang a) cùng pha, b) dich pha, c) đối xứng qua trục z.3: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế siINPWM.4: Điện áp common mode trên nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế sinPWM.5: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM.6: Điện áp Vem mạch nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM.7: Mạch nghịch lưu NPC 3 bậc (a) va vector không gian của nó (b).8: Phân tích phương pháp SVM.9: Quan hệ THD% và tốn hao.10: Quan hệ THD% và số bậc, quan hệ fc va tôn hao nghịch lưu chuẩn và lai.11: Giải thuật Rodriguez nghịch lưu 5 bậc.1: Câu trúc mô hình nghịch lưu được thiết kế trong luận án.-- 222cc eee 33 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ly mạch kích IGBT.3: Dòng điện nạp và xả tu mạch dead time khi điện áp điều khiển [0] — [1].4: Điện áp ra tại chân 8 (V8) va chân 2 (V2) mạch deadtime theo điện áp điều khiển (Vịp1) khi điện áp điều khiển [1] — [Ö].5: Sơ đồ mạchin module câu H và mạch kích.6: Mạch chỉnh lưu cho module cầu H (a) và cho mạch kích (b).7: Mô phỏng điện áp chỉnh lưu (Vạ) và điện áp trung bình của nó AVG(Vạ) khi gan tải "2.2 c cece cece eee e ee eee cee eee e cba eecLEE Ec sae SLES SbiEES CEES GGES Eat EDdEESiGaEStiatecuteeiaateneeeeaey 40 Hình 3.8: Sơ đồ mach in khối nguôn chỉnh lưu.

+ 2 SE E123 E9E3EE2EEEEEEESEEEEEEEEEEEErEErsxee 41 Hình 3.9: Mô hình nghịch lưu sau khi hoàn thiện.1: Điện áp điều khiển, giản đỗ thời gian chuyên mach trong nghịch lưu da bac .2: Mô ta giải thuật 1 vector cực tiêu sai sô điện áp điều khiển.3: Lưu đồ giải thuật 1 vector cực tiêu sal sô điện áp điều khiển.4: Lưu đồ giải thuật | vector cực tiểu sai số điện áp điều khiến (tiếp theo).5: Điện áp điều khiển theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai SỐ.---2-cc 22tr 49 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng nghịch lưu theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.7: Khao sát nghịch lưu 3 pha 5 bậc và 31 theo giải thuật 1 vector.8: Khảo sát tiêu chí méo hài tổng đến hài bậc 40 (THD40) giải thuật 1 vector cực tiêu sai số điện áp điều khiển theo tiêu chuẩn EN61000-2-2.9: Khao sat song hai bac cao khi thuc hién giai thuat 1 vector cuc tiéu sai s6 dién ap điều khiển với các câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 DAC oo.10: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 11 bậc theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.4 a) mô phỏng b) thực nghiệm .11: Khao sat nghich luu 3 pha 11 bac theo giai thuat 1 vector cuc tiểu sai số điện áp điều khiển tai m=0.85 a) mô phỏng b) thực nghiệm .12: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 11 bậc theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=1.04 a) mô phỏng b) thực nghiệm 5S Hình 4.13: Phân tích số lần chuyển mạch theo số bậc và hàm offset giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiến. 2 1S 1111115111 122111 11121111 1 1101 1H HH th 56 Hình 4.14: Phân tích điện áp điều khiển nghịch lưu 5 bậc giải thuật 1 vector cực tiểu sai số GiSn Ap ISU ni 1.15: Nguyên lý giải thuật 2 vector cực tiêu sai số điện áp điều khiển.16: Điều kiện chọn vector điện áp điều khiển giải thuật 2 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển. ccc 1 2221212112112112121 12121 121211 1 1121112121212 tre 61 Hình 4.17: Dich chuyển các giá trị K theo giải thuật 2 VefOr.--- 5c SE Ezxesxseg 61 Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điều khiển.19: Điện áp điều khiển nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 1 vector va 2 vector cực tiêu sai số điện áp điều khiển.- is: tt 331 112125151511121151211111 11111101111 12 tr HH go 64 Hình 4.20: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc theo giải thuật 2 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0. a) mô phỏng b) thực nghiệm .21: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc, giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điều khiển, m=0.9 ham offset minimum common mode a) mô phỏng b) thực nghiém.22: Khảo sát va so sánh giải thuật 1 và 2 vector nghịch lưu 5 bậc.23: Đặc tuyến điều khién của giải thuật 1 vector va 2 vector cực tiêu sai số điện áp điều khiển nghịch lưu 5 bậc (a) và 31 bậc (b).24: Phan tich dién ap diéu khién voi giai thuat 2 vector cuc tiểu sai số điện áp điều khiển cho nghịch lưu 5 bậc (a) và so sánh THD40 trên câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 và 11 bậc áp dụng giải thuật 2 vector so với tiêu chudn EN61000-2-2 (b).

5 5S SE erreg 68 Hình 4.25: Khảo sát sóng hài giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điều khiển .26: Dịch chuyển điện áp điều khiển theo giải thuật 3 vector.27: Lưu đồ giải thuật 3 V€CẦOT. 2L Q0 00222111011 112211 11111 211111111 111k nh kh àu 73 Hình 4.28: Điện áp điều khiển 3 pha theo giải thuật 1 vector và 3 vecfor.29: Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.30: Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.31:Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.32: Khảo sát và so sánh các giải thuật 1, 2 và 3 vecfOr.33: Đặc tuyến điều khiển của giải thuật 1, 2 và 3 vectOr.-- - ccs nhe 77 Hình 4.34: so sánh THD40 trên câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 và 11 bậc áp dụng giải thuật 3 vector so với tiêu chuân EN61000-2-2.-: c2 11 221112111121211112 112221 ng nga 77 Hình 4.35: Khao sát sóng hai bậc cao với giải thuật 3 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển, câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 bac a) hài bậc 5, b) hài bậc 7 c) hài bậc 11 và d) hai bậc 13.1: Điện áp common mode của mạch nghịch lưu da bậc.2: Giản đồ thời gian chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc.3: Luu đồ giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp CMM và cực tiểu sai sỐ.4: Luu đồ giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp CMM và cực tiểu sai sô (tiếp) .5: Dién ap diéu khién theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai số điện áp điều khiến. 2-1 S211 11115111111211111152T111 1 11 101 HH HH HH teh 87 Hình 5.6: Kết quả mô phóng nghịch lưu 5 và 31 bậc theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện ap common mode và cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.---- St s2 5111511511121 55 1x 1xe 88 Hình 5.7: Khao sát nghịch lưu 3 pha theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai biệt điện áp điều khiên. St S211 1 512111211111111 25111 01 2 tr He th 88 Hình 5.8: Phân tích giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai sô điện áp điều khiển trên nghịch lưu 3 pha 5 bậc.

2: sSn E121512125151112121111111E 2111 rrrrre 89 vill Hình 5.9: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0. 2 ST SE Hy | Hình 5.