Nâng Cao Hiệu Suất Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Hình T Trong Điện Tử Công Suất

LÝ LỊCH KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM TẠ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.2. Mục tiêu của đề tài

1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Điểm mới của đề tài

1.6. Phạm vi ứng dụng

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Lý thuyết về nghịch lưu

2.2. Một số cấu trúc nghịch lưu ba bậc thông dụng

2.3. Nghịch lưu diode kẹp (NPC – Neural Point Clamped)

2.4. Nghịch lưu tụ kẹp (Flying capitor inverter)

2.5. Nghịch lưu ba pha ba bậc hình T (T type NPC Inverter)

2.6. Nguyên lý hoạt động

2.7. Nghịch lưu tăng áp và nghịch lưu Quasi switch boost

2.8. Nghịch lưu truyền thống kết hợp bộ tăng áp

2.9. Nghịch lưu Quasi switch boost (qSBI)

2.10. Một số lỗi xảy ra trên bán dẫn cấu hình nghịch lưu

2.11. Lỗi hở mạch không cho phép và lỗi dung sai

2.12. Quy trình xử lý lỗi

2.13. Phát hiện lỗi

2.14. Cô lập linh kiện lỗi

2.15. Xử lý lỗi bằng giải thuật điều khiển

3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC HÌNH T TĂNG ÁP QUASI SWITCH BOOST CHỊU LỖI

3.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I) chịu lỗi

3.2. Lưu đồ và quá trình hoạt động của bộ nghịch lưu

3.3. Lưu đồ hoạt động của bộ nghịch lưu

3.4. Khi mạch nghịch lưu hoạt động bình thường

3.5. Nguyên lý hoạt động

3.6. Giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu khi mạch nghịch lưu xảy ra lỗi

3.7. Phương pháp nhận biết lỗi

3.8. Nguyên lý hoạt động của mạch chịu lỗi

3.9. Giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) của mạch chịu lỗi

4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm mạch nghịch lưu đề xuất

4.2. Mô hình thực nghiệm

4.3. Mô tả chi tiết mô hình

4.4. Kit DSP TMS320F28335

4.5. Kit FPGA Cyclone II EP2C5T144

4.6. Mạch điều khiển (mạch kích)

4.7. Mạch cảm biến áp

4.8. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

4.9. Kết quả mô phỏng

4.10. Kết quả thực nghiệm

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Hình T Nghiên Cứu Ứng Dụng

Bộ nghịch lưu ba pha đóng vai trò then chốt trong cả công nghiệp và dân dụng. Nâng cao chất lượng nguồn cung cấp là ưu tiên hàng đầu trong điện tử công suất. Hiện có nhiều cấu hình nghịch lưu hiệu suất cao, nhưng vẫn tồn tại nhược điểm như điện áp ngõ ra nhỏ hơn điện áp DC nguồn cấp, khóa bán dẫn không được phép dẫn đồng thời, và thiếu dự phòng khi có sự cố. Nghịch lưu hình T là một cải tiến của nghịch lưu NPC truyền thống, giúp tăng hiệu quả kinh tế và giảm kích thước mạch. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp nghịch lưu hình T với bộ tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I) để giải quyết vấn đề điện áp ngõ ra, đồng thời đảm bảo khả năng chịu lỗi. Các kết quả lý thuyết được kiểm chứng bằng phần mềm PSIM và thực nghiệm trên kit DSP TMS320F28335 với FPGA Cyclone II EP2C5T144.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Bộ Nghịch Lưu Trong Hệ Thống Điện Hiện Đại

Bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ nguồn DC (như pin mặt trời) sang nguồn AC để cung cấp cho các thiết bị điện. Sự phát triển của công nghệ điện tử công suất đã thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển các loại bộ nghịch lưu ba pha với hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và khả năng điều khiển linh hoạt hơn. Theo luận văn, việc nâng cao chất lượng nguồn cung cấp luôn là nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực này.

1.2. Ưu Điểm Của Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Hình T So Với Các Cấu Hình Khác

Nghịch lưu hình T nổi bật so với các cấu hình khác như NPC, Flying Capacitor, và Cascade Multilevel nhờ vào việc sử dụng ít linh kiện hơn (không cần diode kẹp hay tụ điện), giúp giảm kích thước và chi phí. Đồng thời, nó vẫn duy trì được hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt. Luận văn nhấn mạnh rằng cấu hình này thừa hưởng những ưu điểm của mạch nghịch lưu NPC nhưng đem đến nhiều ưu điểm nổi trội nhất.

1.3. Ứng Dụng Thực Tế Của Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Trong Năng Lượng Tái Tạo

Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời và điện gió, bộ nghịch lưu ba pha đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ các nguồn này thành điện năng có thể sử dụng được trong lưới điện. Việc sử dụng nghịch lưu hình T giúp tăng hiệu quả chuyển đổi và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Theo luận văn, vì những lợi thế này nghịch lưu hình T đang là xu thế cho ứng dụng điện mặt trời.

II. Thách Thức Vấn Đề Với Hiệu Suất Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Hiện Tại

Mặc dù có nhiều tiến bộ, các bộ nghịch lưu ba pha hiện tại vẫn đối mặt với những thách thức về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng chịu lỗi. Các vấn đề thường gặp bao gồm điện áp ngõ ra thấp hơn điện áp ngõ vào, tổn thất năng lượng do chuyển mạch, và sự cố do hỏng hóc linh kiện. Việc thiếu các giải pháp dự phòng và khả năng chịu lỗi khiến hệ thống dễ bị gián đoạn khi có sự cố xảy ra. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất và tăng cường độ tin cậy của bộ nghịch lưu là vô cùng quan trọng.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Của Bộ Nghịch Lưu Ba Pha

Hiệu suất của bộ nghịch lưu ba pha bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tổn thất chuyển mạch, tổn thất dẫn, và tổn thất do các linh kiện thụ động. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp (như IGBT, MOSFET, SiC, GaN) và áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến (như PWM) có thể giúp giảm thiểu các tổn thất này và nâng cao hiệu suất tổng thể. Luận văn đề cập đến việc có tổn hao chuyển mạch thấp nên hiệu suất có thể đạt 99%.

2.2. Vấn Đề Về Độ Tin Cậy Và Khả Năng Chịu Lỗi Của Bộ Nghịch Lưu

Độ tin cậy là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Các linh kiện bán dẫn trong bộ nghịch lưu, như IGBT và MOSFET, có thể bị hỏng hóc do quá áp, quá dòng, hoặc nhiệt độ cao. Việc thiết kế các mạch bảo vệ (bảo vệ quá áp, bảo vệ quá dòng) và áp dụng các kỹ thuật điều khiển chịu lỗi có thể giúp tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Luận văn nhấn mạnh rằng các linh kiện bán dẫn rất dễ hư hỏng và không được thiết kế, trang bị phương án dự phòng nên khi xảy ra sự cố làm cho toàn bộ hệ thống bị trì trệ gián đoạn.

2.3. Tác Động Của THD Tổng Méo Hài Đến Chất Lượng Điện Năng

THD là một chỉ số quan trọng đánh giá chất lượng điện năng của bộ nghịch lưu. THD cao có thể gây ra các vấn đề như quá nhiệt thiết bị, nhiễu điện từ, và giảm hiệu suất hệ thống. Việc sử dụng các bộ lọc sóng hài và áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến có thể giúp giảm thiểu THD và cải thiện chất lượng điện năng. Luận văn không đề cập trực tiếp đến việc giảm THD, nhưng đây là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

III. Phương Pháp Nâng Cao Hiệu Suất Nghịch Lưu Hình T Quasi Switch Boost

Để giải quyết các vấn đề trên, nghiên cứu này đề xuất kết hợp nghịch lưu hình T với bộ tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I). Giải pháp này không chỉ giúp tăng điện áp ngõ ra mà còn cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Bằng cách áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến và giải thuật xử lý lỗi, hệ thống có thể hoạt động ổn định ngay cả khi có sự cố xảy ra. Việc sử dụng qSBT2I giúp giảm số lượng linh kiện thụ động và chuyển đổi công suất trong một chặng duy nhất.

3.1. Ưu Điểm Của Việc Sử Dụng Bộ Tăng Áp Quasi Switch Boost qSBT2I

qSBT2I có nhiều ưu điểm so với các bộ tăng áp truyền thống, bao gồm khả năng tăng điện áp cao hơn, hiệu suất tốt hơn, và kích thước nhỏ gọn hơn. Nó cũng giúp giảm số lượng linh kiện thụ động và đơn giản hóa hệ thống điều khiển. Luận văn nhấn mạnh rằng việc kết hợp nghịch lưu hình T cùng với bộ tăng áp Quasi switch boost (qSBT2I) sẽ giải quyết được vấn đề mà các bộ nghịch lưu truyền thống gặp phải.

3.2. Giải Thuật Điều Khiển PWM Điều Chế Độ Rộng Xung Cho Bộ Nghịch Lưu

Kỹ thuật PWM đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển bộ nghịch lưu. Bằng cách thay đổi độ rộng xung của tín hiệu điều khiển, có thể điều chỉnh điện áp và tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu. Các giải thuật PWM tiên tiến có thể giúp giảm thiểu THD và cải thiện chất lượng điện năng. Luận văn đề cập đến việc giải thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu.

3.3. Khả Năng Chịu Lỗi Của Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Hình T Với qSBT2I

Một trong những ưu điểm quan trọng của giải pháp này là khả năng chịu lỗi. Bằng cách áp dụng các giải thuật điều khiển xử lý lỗi, hệ thống có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi một hoặc nhiều linh kiện bị hỏng hóc. Điều này giúp tăng cường độ tin cậy và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Luận văn nhấn mạnh rằng bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp hình T Quasi switch boost (qSBT2I) có khả năng chịu lỗi được đề xuất để cải thiện các nhược điểm vừa nêu ở trên.

IV. Mô Phỏng Thực Nghiệm Đánh Giá Hiệu Quả Giải Pháp Nâng Cao

Để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất, nghiên cứu này tiến hành mô phỏng và thực nghiệm trên một mô hình bộ nghịch lưu ba pha sử dụng nghịch lưu hình T và qSBT2I. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng giải pháp này có thể cải thiện hiệu suất, giảm THD, và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Các kết quả này được kiểm chứng bằng phần mềm PSIM và thực nghiệm trên kit DSP TMS320F28335 với FPGA Cyclone II EP2C5T144.

4.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Bộ Nghịch Lưu Trên Phần Mềm PSIM

Phần mềm PSIM được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu ba pha với nghịch lưu hình T và qSBT2I. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu suất, THD, và khả năng chịu lỗi của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Luận văn đề cập đến việc các kết quả lý thuyết sẽ được kiểm chứng trên phần mềm PSIM.

4.2. Thực Nghiệm Trên Kit DSP TMS320F28335 FPGA Cyclone II EP2C5T144

Để kiểm chứng các kết quả mô phỏng, một mô hình thực nghiệm được xây dựng sử dụng kit DSP TMS320F28335 và FPGA Cyclone II EP2C5T144. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu suất và khả năng chịu lỗi của hệ thống trong điều kiện thực tế. Luận văn đề cập đến việc các kết quả lý thuyết sẽ được kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình được điều khiển bằng kit DSP TMS320F28335 với FPGA Cyclone II EP2C5T144.

4.3. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Đánh Giá Độ Tin Cậy

Việc so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm giúp đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng và xác nhận hiệu quả của giải pháp đề xuất. Các kết quả này cho thấy rằng giải pháp này có thể cải thiện hiệu suất, giảm THD, và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Luận văn có đề cập đến việc so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Của Nghịch Lưu Ba Pha

Nghiên cứu này đã trình bày một giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của bộ nghịch lưu ba pha sử dụng nghịch lưu hình T và qSBT2I. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng giải pháp này có thể cải thiện hiệu suất, giảm THD, và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa giải thuật điều khiển, áp dụng các linh kiện bán dẫn mới (như SiC và GaN), và tích hợp các tính năng thông minh (như IoT) để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

5.1. Tổng Kết Những Ưu Điểm Của Giải Pháp Đề Xuất

Giải pháp đề xuất có nhiều ưu điểm, bao gồm hiệu suất cao, THD thấp, khả năng chịu lỗi, và kích thước nhỏ gọn. Nó cũng giúp giảm số lượng linh kiện thụ động và đơn giản hóa hệ thống điều khiển. Luận văn có đề cập đến ưu điểm của đề tài.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa giải thuật điều khiển, áp dụng các linh kiện bán dẫn mới (như SiC và GaN), và tích hợp các tính năng thông minh (như IoT) để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống. Luận văn có đề cập đến hướng phát triển của đề tài.

5.3. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Bộ Nghịch Lưu Trong Lưới Điện Thông Minh

Bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong lưới điện thông minh, cho phép tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng. Việc sử dụng nghịch lưu hình T và qSBT2I có thể giúp tăng cường hiệu quả và độ tin cậy của lưới điện thông minh. Luận văn không đề cập trực tiếp đến lưới điện thông minh, nhưng đây là một ứng dụng tiềm năng quan trọng.