Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện áp dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung để cải tiến chất lượng điện cho bộ nghịch lưu ba bậc npc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung nhằm nâng cao chất lượng điện cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC.

• Tác giả: Pham Dang Khoa
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Ứng dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung để cải thiện chất lượng điện năng cho bộ nghịch lưu ba bậc NPC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT TIẾNG ANH
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Hiện trạng vấn đề, các giải pháp hiện hữu và các rào cản
• 1.2. Kết quả kỳ vọng và ý nghĩa của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỆN ÁP COMMON-MODE
• 2.1. Nguyên nhân gây ra điện áp Common-Mode
• 2.2. Ảnh hưởng của điện áp Common-Mode lên hệ thống truyền động động cơ
• 2.3. Các giải pháp giảm thiểu điện áp Common-Mode
• 2.3.1. Giải pháp phần cứng giảm thiểu điện áp Common-Mode
• 2.3.2. Giải pháp phần mềm giảm thiểu điện áp Common-Mode
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ LỆCH ĐIỆN ÁP ĐIỂM TRUNG TÍNH
• 3.1. Định nghĩa lệch điện áp điểm trung tính
• 3.2. Nguyên nhân gây ra lệch điện áp điểm trung tính
• 3.3. Các giải pháp giảm thiểu lệch điện áp điểm trung tính
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC THI CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (PWM) ĐÃ CHỌN TRONG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
• 4.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin kinh điển (SPWM)
• 4.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin với bộ điều khiển tỉ lệ (SPWM+P)
• 4.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin của Song (SPWM+Song)
• 4.4. Phương pháp điều chế vector không gian đặt giữa với bộ điều khiển tỉ lệ (CSVPWM+P)
• 4.5. Phương pháp ba vector ảo gần nhất tối ưu (ONTVV)
• 4.6. Phương pháp điều chế độ rộng xung triệt tiêu điện áp Common-Mode giảm tổn hao đóng cắt (ZCMV PWM giảm tổn hao đóng cắt)
• 4.7. Phương pháp điều chế độ rộng xung triệt tiêu điện áp Common-Mode giảm độ nhấp nhô dòng điện (ZCMV PWM giảm độ nhấp nhô dòng điện)
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
• 5.1. Phương pháp SPWM với bộ điều khiển tỉ lệ (SPWM+P)
• 5.2. Phương pháp CSVPWM với bộ điều khiển tỉ lệ (CSVPWM+P)
• 5.3. Phương pháp SPWM+Song
• 5.4. Phương pháp ba vector ảo gần nhất tối ưu (ONTVV)
• 5.5. Phương pháp ZCMV PWM giảm tổn hao đóng cắt
• 5.6. Phương pháp ZCMV PWM giảm độ nhấp nhô dòng điện
• 5.7. So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM
• 6.1. Phương pháp SPWM với bộ điều khiển tỉ lệ (SPWM+P)
• 6.2. Phương pháp CSVPWM với bộ điều khiển tỉ lệ (CSVPWM+P)
• 6.3. Phương pháp ba vector ảo gần nhất tối ưu (ONTVV)
• 6.4. Phương pháp SPWM+Song
• 6.5. Phương pháp ZCMV PWM giảm tổn hao đóng cắt
• 6.6. Phương pháp ZCMV PWM giảm độ nhấp nhô dòng điện
• 6.7. So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu luận văn

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc ứng dụng PWM để cải thiện chất lượng điện cho bộ nghịch lưu NPC ba bậc. Mục tiêu chính là khảo sát và lựa chọn các kỹ thuật điều chế độ rộng xung phù hợp, xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB, và thực nghiệm trên mô hình thực để đánh giá hiệu quả. Kỹ thuật điện và điện tử công suất là hai lĩnh vực chính được áp dụng trong nghiên cứu này.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Bộ nghịch lưu NPC ba bậc được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển động cơ. Tuy nhiên, điện áp common mode và lệch điện áp trung tính là hai vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Công nghệ PWM được xem là giải pháp phần mềm hiệu quả để giảm thiểu các vấn đề này.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Luận văn nhằm so sánh các phương pháp điều chế độ rộng xung khác nhau về khả năng giảm điện áp common mode, cân bằng điện áp trung tính, và giảm độ méo dạng sóng hài. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ được đối chiếu để xác nhận tính khả thi của các phương pháp.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Phần này trình bày cơ sở lý thuyết về bộ nghịch lưu NPC ba bậc, kỹ thuật điều chế xung, và các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên MATLAB và thực nghiệm trên mô hình thực.

2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC ba bậc

Bộ nghịch lưu NPC ba bậc có cấu trúc phức tạp hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc thông thường. Nó sử dụng các diode kẹp để tạo ra ba mức điện áp đầu ra, giúp giảm độ méo dạng sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng.

2.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung như SPWM, CSVPWM, và ZCMV PWM được nghiên cứu để giảm điện áp common mode và cân bằng điện áp trung tính. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, cần được đánh giá kỹ lưỡng.

III. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng trên MATLAB và thực nghiệm trên mô hình thực được trình bày chi tiết. Các phương pháp PWM được so sánh về hiệu quả giảm điện áp common mode, cân bằng điện áp trung tính, và giảm độ méo dạng sóng hài.

3.1. Kết quả mô phỏng

Các phương pháp SPWM+P, CSVPWM+P, và ZCMV PWM được mô phỏng trên MATLAB. Kết quả cho thấy ZCMV PWM có hiệu quả cao nhất trong việc giảm điện áp common mode và cân bằng điện áp trung tính.

3.2. Kết quả thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình bộ nghịch lưu NPC ba bậc với vi điều khiển TMS320F377D. Kết quả thực nghiệm xác nhận tính chính xác của kết quả mô phỏng, đồng thời khẳng định tính khả thi của các phương pháp PWM trong thực tế.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tế

Luận văn đánh giá hiệu quả của các phương pháp PWM trong việc cải thiện chất lượng điện năng cho bộ nghịch lưu NPC ba bậc. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ công nghiệp, giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm nhiễu điện từ.

4.1. Đánh giá hiệu quả

Các phương pháp PWM được đánh giá dựa trên khả năng giảm điện áp common mode, cân bằng điện áp trung tính, và giảm độ méo dạng sóng hài. ZCMV PWM được xem là phương pháp tối ưu nhất.

4.2. Ứng dụng thực tế

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong các hệ thống điện tử công suất và điều khiển động cơ, giúp cải thiện chất lượng nguồn điện và giảm thiểu các vấn đề kỹ thuật liên quan đến điện áp common mode và lệch điện áp trung tính.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là cấu hình ba bậc kẹp điểm trung tính (Three-Level Neutral Point Clamped - NPC) được giới thiệu lần đầu vào năm 1981, đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn trong các hệ thống truyền động điện trung áp và cao áp. Với cấu trúc gồm 12 khóa bán dẫn IGBT và 6 diode kẹp, biến tần ba bậc tạo ra 27 trạng thái đóng cắt tương ứng với 19 vector không gian, giúp mỗi van bán dẫn chỉ phải chịu một nửa điện áp nguồn một chiều ($V_{dc}/2$). Nhờ đó, dạng sóng ngõ ra đạt chất lượng vượt trội và tiệm cận dạng sin chuẩn hơn hẳn so với nghịch lưu hai bậc truyền thống.

Tuy nhiên, việc vận hành biến tần ba bậc NPC đối mặt với hai thách thức kỹ thuật cốt lõi: điện áp chế độ chung (Common-Mode Voltage - CMV) và sự mất cân bằng điện áp điểm trung tính (Neutral Point Voltage Imbalance). Hiện tượng CMV với tốc độ biến thiên điện áp cực cao $dv/dt$ gây ra dòng rò qua điện dung ký sinh của động cơ, tạo nên điện áp trục với tỷ lệ xấp xỉ 1:10 so với CMV, dẫn đến hư hỏng vòng bi và phát xạ nhiễu điện từ (EMI) trong dải tần số từ 535 kHz đến 1,7 MHz. Đồng thời, sự mất cân bằng điện áp trên hai tụ ngõ vào DC-link làm tăng ứng suất điện áp quá mức lên các van công suất và tạo ra các sóng hài bậc thấp (đặc biệt là hài bậc 3) làm suy giảm chất lượng dòng điện tải.

Hầu hết các nghiên cứu trước đây thường xử lý hai vấn đề này một cách riêng rẽ, dẫn đến việc thiếu đánh giá toàn diện về sự đánh đổi giữa triệt tiêu CMV, cân bằng tụ, tổn hao đóng cắt và độ méo hài tổng. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 07/2017 đến tháng 12/2017, tập trung khảo sát, so sánh định lượng 7 chiến lược điều chế độ rộng xung (PWM) tiêu biểu trên cả mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả công trình cung cấp cơ sở khoa học chính xác giúp các kỹ sư lựa chọn phương pháp điều chế tối ưu cho từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi điện năng đa bậc và điều chế vector không gian tiên tiến:

• Cấu trúc liên kết nghịch lưu ba bậc NPC: Mạch điện gồm 2 tụ điện DC-link ($C_1, C_2$) nối chung tại điểm trung tính NP, chia đôi điện áp nguồn thành $+V_{dc}/2$ và $-V_{dc}/2$. Mỗi nhánh van gồm 4 khóa IGBT ($S_{1x}, S_{2x}, S_{3x}, S_{4x}$) hoạt động theo nguyên tắc bù nhau, tạo ra ba mức điện áp pha ngõ ra tương ứng với các trạng thái P ($+V_{dc}/2$), O (0V) và N ($-V_{dc}/2$).
• Không gian vector và tương tác dòng trung tính: Mặt phẳng vector không gian gồm 6 sector, chia thành 4 nhóm vector: vector không (Zero vectors), vector lớn (Large vectors), vector trung bình (Medium vectors) và vector nhỏ (Small vectors). Trong khi vector không và vector lớn không tạo dòng trung tính ($I_{NP} = 0$), các vector trung bình luôn kết nối một pha tải vào điểm NP gây nạp/xả lệch tụ. Ngược lại, mỗi vector nhỏ có hai trạng thái dư thừa (redundant states) tác động dòng điện ngược chiều nhau, đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát cân bằng điện áp NP thông qua việc điều chỉnh tỷ số phân chia chu kỳ làm việc ($k_1, k_2$).
• Mô hình điện áp chế độ chung và dòng điện ổ bi: Điện áp CMV tức thời được xác định qua công thức $V_{cm} = (V_{an} + V_{bn} + V_{cn})/3$. Dưới tác động của xung đóng cắt tần số cao, các thành phần điện dung ký sinh trong động cơ (điện dung stator - khung $C_{sf}$, stator - rotor $C_{sr}$, rotor - khung $C_{rf}$ và ổ bi $C_b$) kích hoạt 4 dạng dòng điện phá hủy: dòng điện dung, dòng phóng điện EDM qua màng dầu bôi trơn, dòng rò trục do tiếp địa kém và dòng điện tuần hoàn trục.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm phần cứng:

• Nền tảng mô phỏng số: Thiết lập mô hình hoàn chỉnh trên phần mềm MATLAB/Simulink 2016b và PSIM. Cỡ mẫu nghiên cứu khảo sát 7 thuật toán PWM gồm: SPWM kết hợp bộ điều khiển tỷ lệ (SPWM+P), điều chế vector không gian tập trung kết hợp bộ điều khiển tỷ lệ (CSVPWM+P), SPWM cải tiến theo Song (SPWM+Song), điều chế ba vector ảo tối ưu (ONTVV), cùng hai thuật toán triệt tiêu hoàn toàn CMV (ZCMV PWM giảm tổn hao đóng cắt và ZCMV PWM giảm nhấp nhô dòng).
• Thiết lập thông số thử nghiệm: Các thuật toán được đánh giá đồng bộ ở hệ số điều chế $m$ biến thiên từ 0,1 đến 1,0 với bước nhảy 0,1; khảo sát 3 góc lệch pha tải gồm $25,25^\circ$, $48,54^\circ$ và $62^\circ$ cho cả chế độ tải cân bằng và không cân bằng. Hệ thống kiểm chứng với hai mức dung lượng tụ DC-link là $4700\ \mu\text{F}$ và $840\ \mu\text{F}$. Độ lệch điện áp khởi tạo ở mức 10V (khi mô phỏng) và 200V (khi thực nghiệm) để đo lường tốc độ đáp ứng quá độ.
• Hệ thống thực nghiệm phần cứng: Triển khai mô hình nghịch lưu ba bậc NPC thực tế tại phòng thí nghiệm PERLAB, sử dụng vi điều khiển DSP 32-bit lõi kép chuyên dụng Texas Instruments TMS320F28377D. Bộ nghịch lưu kết nối tải trở - cảm $R - L$ với $R = 33\ \Omega$ và $L = 30\text{mH}$, vận hành tại tần số sóng mang 5 kHz để thu thập dữ liệu điện áp pha, dòng điện tải và phổ biến đổi Fourier nhanh (FFT).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm đã lượng hóa chính xác hiệu năng của từng thuật toán qua các chỉ số kỹ thuật:

1. Khả năng triệt tiêu điện áp chế độ chung (CMV): Các thuật toán dòng ZCMV PWM đã triệt tiêu hoàn toàn biên độ CMV về mức 0V trên lý thuyết, loại bỏ hoàn toàn các bước nhảy điện áp $V_{dc}/6$ và $V_{dc}/3$ vốn xuất hiện liên tục trong phương pháp SPWM và CSVPWM truyền thống. Điều này giúp ngăn chặn 100% nguy cơ phát sinh dòng điện phóng EDM phá hủy ổ bi động cơ.
2. Hiệu năng kiểm soát cân bằng điện áp điểm trung tính (NP): Thuật toán vector ảo ONTVV thể hiện khả năng giữ cân bằng điện áp tuyệt đối ($I_{NP} = 0\text{A}$) trên toàn bộ dải điều chế, ngay cả ở vùng hệ số điều chế cao ($m > 0,8$) và góc lệch pha tải lớn ($62^\circ$). Ngược lại, các phương pháp SPWM+P và CSVPWM+P bị mất hoàn toàn khả năng kiểm soát điểm trung tính khi $m$ tiến gần đến 1,0 do thời gian kích hoạt các vector nhỏ suy giảm tiệm cận về 0.
3. Ảnh hưởng của dung lượng tụ DC-link: Với bộ tụ lớn $4700\ \mu\text{F}$, biên độ nhấp nhô điện áp NP ở trạng thái xác lập giảm sâu xuống dưới mức 2V, nhưng thời gian đáp ứng quá độ để kéo độ lệch 200V ban đầu về ngưỡng an toàn (dưới 2V) kéo dài hơn 60% so với khi sử dụng bộ tụ $840\ \mu\text{F}$.
4. Sự đánh đổi về chất lượng sóng hài và tổn hao: Việc triệt tiêu CMV bằng ZCMV PWM buộc phải loại bỏ các vector không và vector lớn, dẫn đến độ méo hài tổng dòng điện (THD) tăng thêm từ 15% đến 25% so với CSVPWM, đồng thời tổn hao đóng cắt tăng lên do hiện tượng chuyển mạch đồng thời trên hai nhánh van trong một chu kỳ điều chế.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm đo trên DSP TMS320F28377D hoàn toàn trùng khớp và kiểm chứng độ chính xác của các mô hình mô phỏng MATLAB.

Dữ liệu phổ tần số được trích xuất qua phân tích FFT cho thấy, đối với phương pháp SPWM+P và CSVPWM+P, thành phần dao động sóng hài bậc 3 xuất hiện rõ rệt tại điểm trung tính khi hệ số điều chế vượt ngưỡng $m = 0,7$. Bảng tổng hợp so sánh chỉ ra rằng trong khi CSVPWM+P cho chất lượng sóng hài điện áp tốt nhất (chỉ số méo hài có trọng số WTHD thấp nhất) ở dải tải thông thường, thuật toán này lại bộc lộ hạn chế nghiêm trọng về ổn định điện áp tụ khi vận hành ở tải thuần cảm với góc pha $90^\circ$.

Khi áp dụng phương pháp bù thời gian chết (dead-time compensation), các gai xung nhọn CMV xuất hiện ngoài ý muốn trong thực nghiệm đã được triệt tiêu hoàn toàn. Nghiên cứu khẳng định rằng việc lựa chọn thuật toán điều chế không thể dựa trên một tiêu chí đơn lẻ: nếu ưu tiên bảo vệ cơ khí và chống nhiễu EMI cho động cơ, ZCMV PWM là lựa chọn tối ưu; nếu ưu tiên hiệu suất truyền động và độ êm của mô-men xoắn, ONTVV hoặc giải pháp điều chế lai (Hybrid PWM) là hướng tiếp cận vượt trội.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích định lượng, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho các kỹ sư và đơn vị chế tạo thiết bị:

• Ứng dụng cấu trúc điều chế lai linh hoạt: Các nhà phát triển hệ thống truyền động biến tần nên tích hợp thuật toán điều chế lai (Hybrid Modulation), tự động chuyển đổi giữa CSVPWM+P ở dải điều chế thấp và trung bình ($m \le 0,7$) sang thuật toán vector ảo ONTVV ở dải điều chế cao ($m > 0,7$). Mục tiêu nhằm duy trì độ méo hài dòng điện THD dưới 5% theo tiêu chuẩn IEEE 519, thực hiện trong lộ trình nâng cấp phần mềm 6 tháng.
• Tích hợp thuật toán bù thời gian chết trên vi điều khiển: Nhóm kỹ sư nhúng cần lập trình thuật toán nhận diện chiều dòng điện tức thời trên dòng chip DSP TMS320F28377D để chỉ cho phép chuyển mạch đồng thời trên các nhánh pha có chiều dòng điện ngược nhau. Giải pháp này giúp loại bỏ 100% các gai điện áp CMV phát sinh do thời gian chết $2\ \mu\text{s} - 3\ \mu\text{s}$ của IGBT trong quý vận hành thử nghiệm tiếp theo.
• Tối ưu hóa kích thước và dung lượng bộ tụ DC-link: Các đơn vị thiết kế phần cứng nên lựa chọn dung lượng tụ trong khoảng $1500\ \mu\text{F}$ đến $2200\ \mu\text{F}$ thay vì sử dụng tụ quá lớn $4700\ \mu\text{F}$. Cách tiếp cận này vừa đảm bảo độ nhấp nhô điện áp NP duy trì dưới 3% điện áp DC-link, vừa rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ xuống dưới 50ms và tiết kiệm khoảng 20% chi phí thể tích bộ tụ.
• Xây dựng quy chuẩn giám sát chất lượng điện năng cho biến tần trung áp: Các doanh nghiệp vận hành trạm biến tần công nghiệp cần thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ điện áp trục động cơ và phổ sóng hài bậc 3 tại điểm trung tính theo chu kỳ 12 tháng/lần nhằm ngăn ngừa sự cố lão hóa cách điện sớm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và thực tiễn sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư R&D phần mềm nhúng và biến tần công nghiệp: Khai thác trực tiếp các sơ đồ khối thuật toán PWM, thuật toán vector ảo và mã nguồn điều khiển trên DSP TMS320F28377D để ứng dụng vào các dòng sản phẩm biến tần thương mại.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng tài liệu như một nguồn tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật mô phỏng không gian vector và cách thức đánh giá đa tiêu chí trên nghịch lưu đa bậc.
• Kỹ sư bảo trì và vận hành hệ thống truyền động tại nhà máy: Nắm vững cơ chế phát sinh dòng điện trục và mất cân bằng điện áp tụ để chẩn đoán chính xác nguyên nhân gây hỏng vòng bi, suy giảm chất lượng điện năng và đưa ra phương án xử lý firmware kịp thời.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học: Sử dụng các kết quả mô phỏng Simulink và dữ liệu thực nghiệm PERLAB làm học liệu giảng dạy chuyên đề Điện tử công suất nâng cao và Truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao điện áp chế độ chung (CMV) lại gây hư hỏng nghiêm trọng cho động cơ điện?

Biên độ CMV cao kết hợp với tốc độ biến thiên $dv/dt$ lớn tạo ra các xung dòng nạp/xả qua điện dung ký sinh giữa stator và vỏ máy. Hiện tượng này cảm ứng nên điện áp trục đạt khoảng 10% biên độ CMV. Khi điện áp trục vượt quá ngưỡng cách điện của màng dầu bôi trơn trong ổ bi, dòng phóng điện EDM sẽ xuất hiện cục bộ, gây rỗ bề mặt kim loại và làm hỏng vòng bi chỉ sau một thời gian ngắn vận hành.

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự mất cân bằng điện áp điểm trung tính (NP) là gì?

Lệch điện áp NP sinh ra do dòng điện trung tính $I_{NP}$ chảy vào hoặc rút ra khỏi điểm nối chung giữa hai tụ DC-link. Trong biểu đồ vector không gian, các vector trung bình kết nối trực tiếp một pha tải vào điểm trung tính mà không có trạng thái bù trừ, làm cho tụ trên và tụ dưới liên tục bị nạp/xả không đều, tạo ra dao động sóng hài bậc 3 và làm trôi điện áp phân áp chuẩn $V_{dc}/2$.

Thuật toán vector ảo ONTVV giải quyết bài toán mất cân bằng điện áp tụ như thế nào?

Phương pháp ONTVV tổng hợp các vector ảo từ sự kết hợp tuyến tính của các vector thực có tác động dòng trung tính đối nghịch nhau. Nhờ cấu trúc này, dòng điện trung tính trung bình $I_{NP}$ trong mỗi chu kỳ điều chế luôn được duy trì bằng 0. Do đó, thuật toán triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng lệch tụ ngay cả khi biến tần hoạt động ở hệ số điều chế cao ($m > 0,8$) và tải có góc lệch pha lớn $62^\circ$.

Việc áp dụng chiến lược triệt tiêu hoàn toàn CMV (ZCMV PWM) có nhược điểm gì?

ZCMV PWM chỉ cho phép sử dụng 7 trạng thái đóng cắt tạo ra mức CMV bằng 0V, loại bỏ toàn bộ các vector lớn và vector nhỏ thông thường. Hạn chế của phương pháp này là làm tăng độ nhấp nhô dòng điện ngõ ra, khiến độ méo hài tổng THD dòng tải tăng thêm khoảng 20% và làm gia tăng tổn hao đóng cắt do yêu cầu chuyển mạch đồng thời trên hai nhánh van trong một chu kỳ lấy mẫu.

Dung lượng tụ điện DC-link ($4700\ \mu\text{F}$ so với $840\ \mu\text{F}$) tác động như thế nào đến hệ thống?

Tụ điện dung lượng lớn $4700\ \mu\text{F}$ giúp giảm biên độ nhấp nhô điện áp xác lập tại điểm trung tính xuống mức rất thấp (dưới 2V), bảo vệ các khóa bán dẫn khỏi hiện tượng quá áp. Tuy nhiên, tụ lớn làm tăng quán tính tích trữ năng lượng, khiến thời gian để bộ điều khiển kéo điện áp mất cân bằng quá độ (ví dụ lệch 200V) về trạng thái ổn định lâu hơn đáng kể so với khi sử dụng tụ $840\ \mu\text{F}$.

Kết luận

• Luận văn đã thực hiện nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm so sánh định lượng 7 chiến lược điều chế độ rộng xung PWM trên biến tần ba bậc NPC sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28377D.
• Công trình làm sáng tỏ mối quan hệ tương hỗ và sự đánh đổi kỹ thuật giữa bốn chỉ tiêu then chốt: triệt tiêu điện áp CMV, cân bằng điện áp điểm trung tính NP, chất lượng sóng hài dòng/áp (THD/WTHD) và tổn hao đóng cắt.
• Khẳng định tính ưu việt của phương pháp vector ảo ONTVV trong việc kiểm soát hoàn toàn điện áp trung tính ở vùng điều chế cao ($m > 0,8$) và góc tải lớn ($62^\circ$).
• Xác lập cơ sở định lượng về ảnh hưởng của dung lượng tụ DC-link ($4700\ \mu\text{F}$ và $840\ \mu\text{F}$) đối với chất lượng điện áp xác lập và tốc độ đáp ứng quá độ của hệ thống.
• Mở ra hướng phát triển các giải pháp điều khiển lai kết hợp thuật toán bù thời gian chết cho các hệ thống truyền động biến tần công nghiệp trong giai đoạn 2024–2025.

Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ điều khiển và kết quả phân tích trong luận văn để nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng cho các hệ thống biến tần công suất lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAM ĐĂNG KHOA AP DUNG CAC KY THUAT DIEU CHE DO RONG XUNG DE CAI TIEN CHAT LƯỢNG ĐIỆN NANG CHO BO NGHICH LUU BA BAC NPC Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã sô: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HO CHI MINH, năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TAI TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —ÐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. Nguyễn Văn Nhờ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét l :.

2S S225 191 53 8155131585155 E515512E5E51 555155 ExEe (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :. TS S135 285153 8155131555555 18555 122555515515 xEe (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp. Thanh phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : PHAM ĐĂNG KHOA MSHV:7140413 Ngày, thang, nam sinh: 10/01/1990 Noi sinh: TP HO CHI MINH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số : 60520202 I.

TÊN DE TÀI: ÁP DỤNG CÁC KỸ THUẬT DIEU CHE ĐỘ RỘNG XUNG DE CẢI TIEN CHAT LƯỢNG ĐIỆN NANG CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA BAC NPC Il. NHIEM VU VA NOI DUNG: + Khao sát và chon các kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba bậc NPC. + Đề ra phương pháp để đánh giá và so sánh các kỹ thuật điều chế độ rộng xung đã chọn. + Xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB cho tất cả các phương pháp đã chọn dé tiến hành lây kết quả va so sánh kết qua của tat cả các phương pháp.

+ Xây dựng mô hình thực của bộ NPC ba bậc. Các phương pháp đã chọn được lập trình trên vi điều khiển TMS320F377D. Kết quả lay từ thực nghiệm sẽ được so sánh với nhau, đông thời kiểm chứng kết quả mô phỏng. + Áp dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung của năm bậc NPC và bảy bậc cascade nghịch lưu vào bộ nghịch lưu ba bậc NPC dé triệt tiêu điện ap common mode, đồng thời giảm độ méo dang dòng và giảm ton hao đóng cắt.

NGÀY GIAO NHIỆM VU: 10/07/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V. CAN BO HƯỚNG DAN: PGS. Nguyễn Văn Nhờ Tp.

HCM, ngày 03 thang 12 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký) ACKNOWLEDGEMENTS Thank you to Prof. Nguyen Van Nho who have helped guide me through this exciting and challenging journey, provide insightful feedback, and teach me how to conduct thorough research. His wisdom and expertise in this field of study is exceptional, and it was both a pleasure and an honor to have him as an advisor and a professor. | would like to thank Mr.

Nguyen Van Vui for his practical experience during the experiment setup. Finally, | sincerely thank my family for all of their support they have given to me over the years. ABSTRACT Multilevel Inverters especially the three-level Neutral Point Clamped Inverters are widely used in motor drive applications. Compared to the conventional two-level inverters, the three-level inverters offer better harmonic performance.

However, Common-mode Voltage and Neutral Point Voltage Imbalance are the two technical challenges that need to be addressed in order to optimize the performance of motor drive systems. The Common-mode voltage causes bearing failure and Electromagnetic Interference (EMI). These two problems reduce the life expectancy of motors and have other equipment working in close proximity not to function properly. Moreover, the Neutral Point Voltage Imbalance causes excessive stress on switching devices and low-order harmonics at the output.

Therefore, both common-mode voltage and neutral point voltage imbalance must be mitigated by either hardware or software solutions. In this thesis, the software solutions, specifically Pulse-Width Modulation (PWM) strategies are the main focus. The thesis tackles the problem in the literature, which is the common-mode voltage and neutral point voltage imbalance are solved separately. For example, a certain proposed PWM method for CMV reduction does not mention neutral point voltage imbalance, and vice versa.

Therefore, the thesis aims to select some prominent PWM strategies in the literature and make a comparison among them in terms of CMV mitigation, NP voltage balancing performance, and harmonic distortion. The simulation of all the PWM methods are implemented from MATLAB 2016b while the experiment is conducted at PERLAB. The simulation results are compared against one another. The experimental results are also compared against one another validate the simulation results.

TOM TAT Nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu ba bậc NPC được sử dung rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển động cơ. So với bộ nghịch lưu hai bậc thông thường, bộ nghịch lưu ba bậc cho chất lượng đầu ra tốt hơn. Tuy nhiên, điện áp common mode và lệch điện áp trung tính là hai vấn đề cần được giải quyết để tối ưu hóa các hệ thống điều khiển động cơ. Điện áp common mode gây ra nhiều hư hỏng cho động cơ và nhiễu điện từ trường.

Hai vấn đề này làm giảm tuổi thọ của động cơ và các thiết bị xung quanh. Hơn nữa, lệch điện áp trung tính tụ gây ra hài bậc thấp ở dòng và áp ngõ ra. Do đó, điện áp common mode và lệch điện áp trung tính tụ cần được giải quyết bởi các phương pháp phan cứng hay phần mềm. Trong luận văn này, phương pháp phan mềm đặc biệt là các phương pháp độ rộng xung là trọng tâm chính.

Luận văn giải quyết vấn đề là điện áp common mode và lệch điện áp tụ trung tính thường giải quyết riêng lẽ. Do đó, luận văn sẽ chọn một số phương pháp điều chế độ rộng xung tiêu biểu và so sánh giữa các phương pháp về mặc giảm common mode, khả năng cân bằng tụ, và độ méo dạng song hài ở ngõ ra. Kết quả mô phỏng của phương pháp sẽ được thực hiện trên MATLAB và thực nghiệm sẽ được tiến hành ở phòng thí nghiệm PERLAB. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh đối chiếu với nhau.

Kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh đối chiếu với nhau và xác nhận kết quả mô phỏng. DECLARATION | certify that the work is that of the author alone. The work has not been submitted previously. The content of the thesis is the result of work which has been carried out since the official commencement date of the thesis.

Pham Dang Khoa TABLE OF CONTENTS “1841900012942 120077.3 Current Understanding of the Problem, Existing Solutions, and Barriers to these SOUTÏOINS. nọ bọ kh họ KH cv K9 ĐH 9E ĐH gi s3 .4 Expected Results and its 81/0039. Literature Review of Common-Mode Voltage ProbleM.2 Causes Of COMMON-MoOde0/000 0n.3 Common-Mode Voltage’s Effects on motor drive SYSTEMS.4 Solutions to Mitigate COMMON-MOde VOIltAaBEe.1 Hardware Solutions to Mitigate ComMONn-Mode Voltage.2 Software Solutions to Mitigate Common-Mode Voltage. Literature Review of Neutral Point Voltage Imbalance Problem.1 Neutral Point Voltage Imbalance Definition .2 Causes of Neutral Point Voltage Imbalarnce.4 Solutions to Mitigate Neutral Point Voltage Imbalance.

Implementations of the Selected Pulse-Width Modulation (PWM) Methods in Three-Level Neutral 2Ì0® Ƒ-019-o01) vi 177 .1 Conventional Sinusoidal Pulse-Width Modulation (SPWM).2 Sinusoidal Pulse-Width Modulation with the Proportional Controller (SPWM+P).3 Sinusoidal Pulse-Width Modulation by Song (SPWM+Song).4 Centered Space Vector Pulse Width Modulation with the Proportional Controller 5.5 Optimized Nearest Three Virtual Vectors (ONTVV).6 Zero Common-Mode Voltage Pulse-Width Modulation with reduced switching loss (ZCMV PWM with reduced Switching lOSS).7 Zero Common-Mode Voltage Pulse-Width Modulation with reduced current ripple (ZCMV PWM with reduced current ripple). SiMUIATION ANA EXPELIMENt.1The SPWM with Proportional Controller (SPWMI+P).2 The Centered Space Vector with Proportional Controller (CSVPWMI+P).4 The Optimized Nearest Three Virtual Vector (ONTVV).5 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced switching loss (ZCMV PWM + FECUCE SWITCHING lOSS).6 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced current ripple (ZCMV PWM + FECUCEM 9014-0339.- - -- - cc cọ nọ ng nọ ng ch cu su suy ng nh che sreeeeeseereereereee Z & 6.1 The SPWM with Proportional Controller (SPWM+P).2 The Centered Space Vector with Proportional Controller (CSVPWM+P).4 The SPWM+SONGB.3 The Optimized Nearest Three Virtual Vector (ONTVV).5 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced switching loss (ZCMV PWM + FECUCEC SWITCHINGli.6 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced current ripple (ZCMV PWM + -90009-o0902-0i0ïi99 08.3 Comparison and Evaluation of Simulation Resulfs.1 The SPWM with Proportional Controller (SPWM+P).2 The Centered Space Vector with Proportional Controller (CSVPWM+P).3 The Optimized Nearest Three Virtual Vector (ONTVV).4 The SPW M+SONG.5 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced switching loss (ZCMV PWM + reduced SWITCHING lOSS).6 The Zero Common Mode Voltage PWM with reduced current ripple (ZCMV PWM + -90009-o090 (0ï 000118.6 Comparison and Evaluation of Experimental Resulfs. CONCIUSION and FUTULE WOFKS.ccccccsecsecescenceccecceeceeceeceeceeceecsecsecusanseassasssacenceececceecetctestecescesceees LOZ LIST OF FIGURES Figure 1: Topology of Three-Level NPC lnV€F©F. 1T HH ng ngưng ng nưưyn 17 Figure 2: Space Vector diagram of the NPC CONVESTtELS.:cccsscecetcessrecercesstecsseesceecesetsceeeesereceeeeseneens 19 Figure 3: A three-level NPC inverter with a diode front-end.----cccccc nh HH nre 21 Figure 4: Electrical and physical models of parasitic capacitances in a motOr.----- 22 Figure 5: Electrical representation of parasitic capacitances in A motOr.-----«< << <<<<2 22 Figure 6: The shaft voltage and common-mode voltage in a driven-PWM inverter.

24 Figure 7: Bearing currents IN A iOẨOíF. - «cv nh TH TH cà kh nh nh kh nh vàn 24 Figure 8: An isolation transformer for CMV mitigatiOn. ác cà LH H HH ng ng rưệu 27 Figure 9: Mii/-s-i8F-I8aiiesi-809)) 08:19. 28 Figure 11: Integrated DC choke in the CSI for CMV elimination.cccccsececesesseeceesseesseeeneenees 28 Figure 12: Integrated AC choke in VSI for CMV elimination.cccccseceecessessessseceecesassseeceeseeeeeeeens 29 Figure 13: lix-2g-i-909.

29 Figure 14: Circular-shaped integrated 080i). 30 Figure 15: A three-level NPC inverter with an addition of a fourth-Ìeg.- --‹---<-<-sxs«2 31 Figure 16: Two 2-level Inverters connected to an Induction Motor with Open-End Windings. 31 Figure 17: Two Cascaded H-bridge Inverter connected to an Induction Motor with Open-End 32 Figure 18: An auxiliary circuit for CMV eliminatiOn. n HH HH ng 32 Figure 19: Ma PÌ-Ä|--0s00i 5-0901 2ái 1i.

36 Figure 20: Impact of Dead time on CM voltage generatÏOn.----ccccc HH Hy ng 36 Figure 21: The three-level NPC inverter with diode front-end.- --c sec hinh re 38 Figure 22: Effects of inverter operating modes on NP voltage and NP current. 39 Figure 23: Absolute NP Ripple Magnitude for 4200UF vs S40UF.ceccessseceseescecesetecereesstecseetsees 40 Figure 24: Dynamic NP Performance for 4200UF vs 84OUF.- SG SA SH ng re 40 Figure 25: Space Vector Diagram for Sector 1. Vrer is within the subsector 2.-«- 41 Figure 26: Approximate Medium and Small vector duty cycle variation versus modulation 2110. 43 Figure 27: Maximum NP disturbance and loss of NP control as load power factor angle.

Figure 28: Space Vector Diagram for S©CtOF Í. ch nh HH HH ngư c1 Figure 29: SV Diagram for Sector 1 in Medium-Vector-Elimination Strategies.45 Figure 30: SVM for Nearest Three Virtual Vector (NTVV) for Sector 1.6 Figure 31: The Three Reference Sinusoidal Signals.ccccccssssecsscsssesssscsecsesessescsecsessstsssecsssssteee 4 Figure 32: The two carrier signals in PD arrangemennt.