Đồ Án HCMUTE: Xây Dựng Mô Hình Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc Tăng Áp

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu hcmute xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình t tăng áp, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Công Thành
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Mô Hình Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc Tăng Áp Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Mục tiêu thực hiện đề tài
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Giới hạn
• 1.6. Bố cục đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp
• 2.2. Giới thiệu tổng quát
• 2.3. Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.4. Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T
• 2.5. Tổng quan nghịch lưu hình T
• 2.6. Nguyên lý hoạt động
• 2.7. Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
• 2.8. Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
• 2.9. Nguyên lý hoạt động
• 2.10. Phương pháp điều chế độ rộng xung
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG
• 3.1. Xây dựng hệ thống
• 3.2. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.3. Các khối chức năng
• 3.4. Hình ảnh và chức năng các khối
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thi công hệ thống
• 4.2. Thi công bo mạch
• 4.3. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.4. Hình ảnh các module đã thi công, lắp ráp
• 4.5. Hoàn thiện mô hình
• 4.6. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.7. Mô hình đã thi công
• 4.8. Lập trình hệ thống
• 4.9. Lập trình mô phỏng
• 4.10. Hình ảnh mô phỏng trên PSIM
• 4.11. Quy trình và hướng dẫn thao tác
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả thực nghiệm
• 5.2. So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết
• 5.3. So sánh kết quả thực nghiệm nhóm đồ án so với kết quả công bố IEEE
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Phương pháp nghiên cứu
• 6.2. Những vấn đề còn tồn đọng
• 6.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình nghịch lưu 3 pha tại HCMUTE Tổng quan và mục tiêu nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp" tại Học viện Kỹ thuật Quân sự HCMUTE tập trung vào thiết kế và triển khai một mô hình nghịch lưu 3 pha cải tiến. Nghiên cứu mô hình nghịch lưu này nhằm khắc phục hạn chế của bộ nghịch lưu 3 pha truyền thống, cụ thể là khả năng giảm áp và vấn đề ngắn mạch. Đồ án tốt nghiệp này hướng đến việc xây dựng một mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc có khả năng tăng áp, cải thiện hiệu suất và giảm thiểu sóng hài. Nghiên cứu sinh HCMUTE đã sử dụng card DSP TMS320F28335 và FPGA để điều khiển quá trình chuyển mạch IGBT, tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha. Mục tiêu chính là xây dựng và thử nghiệm mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC, phân tích mô hình nghịch lưu 3 pha và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. Ứng dụng nghịch lưu 3 pha trong công nghiệp ngày càng quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

1.1 Lựa chọn Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc

Việc lựa chọn mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc dựa trên những ưu điểm vượt trội so với mô hình nghịch lưu truyền thống. Mô hình nghịch lưu 3 pha này cho phép tăng áp đầu vào, giảm số lượng pin hoặc acquy, từ đó giảm chi phí. Mô hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc này có hiệu suất chuyển đổi cao nhờ chỉ qua một giai đoạn DC-AC. Thiết kế mô hình nghịch lưu 3 pha này cho phép hai khóa bán dẫn cùng nhánh đóng cùng lúc, loại bỏ thời gian chết và giảm độ méo dạng điện áp ngõ ra (THD). Việc giảm điện áp ngõ vào cũng giúp giảm điện áp đặt lên IGBT, tăng độ bền của linh kiện. Đồ án đã tham khảo bài báo "A three level LC-Switching based Voltage boost NPC inverter" trên tạp chí IEEE năm 2016, nhưng đã có những cải tiến đáng kể, cụ thể là giảm dung lượng cuộn cảm (L) và sử dụng một nguồn VDC thay vì nhiều nguồn. Bố nghịch lưu 3 pha được thiết kế hướng tới công suất khoảng 1000W, cao hơn nhiều so với 250W trong bài báo tham khảo. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế chi tiết, bao gồm các khối chức năng chính như mạch điều khiển, mạch công suất và mạch lọc.

1.2 Thực nghiệm và đánh giá mô hình nghịch lưu 3 pha

Thực hành nghịch lưu 3 pha bao gồm các giai đoạn: thi công bo mạch, lắp ráp, kiểm tra và lập trình hệ thống. Mô phỏng mô hình nghịch lưu 3 pha được thực hiện trên phần mềm PSIM, giúp kiểm tra tính khả thi trước khi xây dựng mô hình vật lý. Phân tích mô hình nghịch lưu 3 pha tập trung vào việc so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết, đánh giá sự sai lệch và nguyên nhân. Kiểm soát nghịch lưu 3 pha được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các thông số và giám sát các dạng sóng điện áp và dòng điện. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình nghịch lưu 3 pha hoạt động khá ổn định. Mặc dù có tổn hao dẫn đến sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm, nhưng kết quả vẫn nằm trong giới hạn chấp nhận được. Tài liệu nghịch lưu 3 pha được sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế và phân tích, bao gồm các bài báo, sách chuyên ngành và tài liệu tham khảo từ IEEE. Điện tử công suất HCMUTE đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp trang thiết bị và hỗ trợ kỹ thuật cho đồ án.

1.3 Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Ứng dụng nghịch lưu 3 pha trong công nghiệp rất đa dạng, bao gồm các hệ thống năng lượng tái tạo như pin mặt trời và tuabin gió. Chuyển đổi năng lượng 3 pha hiệu quả là mục tiêu chính của đồ án. Mô hình nghịch lưu này có thể được ứng dụng trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời quy mô nhỏ, cung cấp điện cho hộ gia đình hoặc các thiết bị công nghiệp nhỏ. Điện tữ công suất HCMUTE tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình nghịch lưu tiên tiến hơn, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí. Những hạn chế của đồ án, ví dụ như công suất nhỏ và điện áp ngõ ra giới hạn, sẽ được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Bài báo khoa học nghịch lưu 3 pha sẽ được tiếp tục hoàn thiện và công bố để đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực này. Số liệu nghịch lưu 3 pha thu thập được từ đồ án đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của mô hình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Hệ thống lại những kiến thức nền cơ bản.  Chương 3: Xây dựng hệ thống. Đưa ra phương án thực hiện, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học.  Chương 4: Thi công mô hình.

Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bài kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm đưa ra nhận xét và đánh giá.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được. Có hướng phát triển cho đề tài.

 Tài liệu tham khảo, phụ lục. Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiện đồ án tốt nghiệp. 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 2.

Giới thiệu tổng quát Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hay gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ngõ ra không giống nhau, ví dụ như bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.

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

Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chình lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng hay ngắt dòng điện đi qua nó tức là đóng vai trò như một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc.

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

 Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).  Dạng ghép tầng (Cascade inverter). Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T 2. Tổng quan nghịch lưu hình T Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T Nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T được biểu diễn tại hình 2.Đây là mạch nghịch lưu hoạt động tốt và cho hiệu suất rất cao thường được sử dụng cho bộ nghịch lưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời.

So với các bộ nghịch lưu truyền thống thì nghịch lưu đa bậc hình T có hiệu suất cao hơn so với các bộ nghịch lưu truyền thống mà lại sử dụng ít linh kiện đóng ngắt hơn. Qua đó giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng. 9 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Nguyên lý hoạt động Về cơ bản mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T hoạt động sẽ có 3 mức trạng thái: + Sa1 dẫn: Điện áp ngõ ra là Vdc/2.

+ Sa2 hoặc Sa3 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng 0. + Sa4 dẫn: Điện áp ngõ ra bằng –Vdc/2 Mạch nghịch lưu hình T hoạt động với 6 chế độ cho mỗi pha bao gồm 3 chế độ với dòng điện tích cực và 3 chế độ dòng thụ động: Sa1 Sa1 Sa1 Vdc Vdc Vdc G G G Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Hình 2.2: Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T Sa1 Sa1 Sa1 Vdc Vdc Vdc G G G Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Sa3 Sa2 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Vdc Sa4 Hình 2.3: Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T 2. Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC 2. Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp Nghịch lưu sử dụng trong ứng dụng hiện nay phân làm hai loại cơ bản: Nghịch lưu nguồn áp - NLNA, nghịch lưu nguồn dòng - NLND.

10 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nghịch lưu nguồn áp được sử dụng phổ biến và có đặc điểm sau: đầu vào nghịch lưu áp phải có tụ điện dung lượng lớn, điện áp đầu ra nghịch lưu bị giới hạn bởi điện áp một chiều và không cho phép ngắn mạch đầu ra. Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng trong ứng dụng có công suất lớn và có đặt điểm sau: đầu vào NLND phải có điện cảm giá trị lớn và cần có bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện không đổi, điện áp ra của NLND lớn hơn điện áp đầu vào và không cho phép làm việc hở mạch. Như vậy, cả hai cấu hình NLNA và NLND chỉ có thể thực hiện chức năng tăng áp hoặc giảm áp. Hệ thống phát điện bằng pin năng lượng mặt trời có ngõ ra là một nguồn DC có điện áp thấp nên chúng ta cần có một bộ nghịch lưu vừa có thể chuyển đổi DC/AC vừa có thể tăng điện áp ngõ ra để phù hợp với thiết bị sinh hoạt trong hộ gia đình, chung cư, nhà xưởng, hay hòa vào điện lưới quốc gia theo giá trị mong muốn.

Do đó, nghịch lưu hình T đã mở ra triển vọng ứng dụng cho các hệ phát điện như phân tán như: pin năng lượng mặt trời, fuel cell, sức gió…thích hợp trong lưới điện. L1 D1 S0 Sa1 Sb1 Sc1 Sa3 Sa2 L R D2 C1 VDC Sb3 Sb2 L R G Sc3 Sc2 L R D3 C2 C Sa4 Sb4 Sc4 C S1 D4 L2 C Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp Cấu trúc mạch động lực đồng nhất không có sự phân biệt rõ các tầng biến đổi công suất. Điện áp DC đầu vào được tăng áp nhờ chuyển mạch bởi các khóa S0 và S1. Các giá trị của cuộn cảm L1 và L2 sẽ bằng nhau để cân bằng điện áp trong quá trình chuyển mạch bởi các khóa S0 và S1.

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

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

Tại thời điểm ngắn mạch, các cuộn cảm thực hiện quá trình nạp điện áp từ tụ điện và nguồn DC. Dòng điện tải đầu ra đối với tải trở cảm của mạch nghịch lưu sẽ được duy trì liên tục qua hệ thống các Diode của các IGBT S0, S1, Sa1 và Sa4. Trong trường hợp ngắn mạch thì điện áp đầu ra sẽ bằng 0, vì mạch nghịch lưu đã bị ngắn mạch đầu vào. Điện áp ngõ ra ở trường hợp ngắn mạch là: Vout  0 (1) 13 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điện áp đặt trên cuộn cảm trong trường hợp ngắn mạch là: VL1  VL1  VL (2) 2VL  VDC  2VC (3) Dòng điện trên các phần tử trong mạch ở trường hợp ngắn mạch là: I L1   I C1 (4) I L 2   IC 2 (5) Xét trường hợp không ngắn mạch: L1 S0 Sa1 G VDC Sa3 Sa2 Sa4 L2 Hình 2.