Khám Phá Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc T Type NPC Tại HCMUTE

• Tác giả: Ths. Đỗ Đức Trí
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc T Type NPC
• Loại tài liệu: công trình nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc T-NPC ở nước ngoài
• 1.3. Nghiên cứu nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc T-NPC ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 3 PHA 3 BẬC T-NPC
• 2.1. Cở sở lý thuyết về nghịch lưu 3 bậc tăng áp hình T
• 2.2. Cấu hình nghịch lưu truyền thống
• 2.3. Phương pháp điều khiển nghịch lưu 3 bậc tăng áp hình T
• 2.3.1. Phương pháp điều khiển độ rộng xung sin SPWM
• 2.3.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified SPWM)
• 2.3.3. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM
• 2.3.3.1. Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ-APOD (Alternative Phase Opposition Disposition)
• 2.3.3.2. Bố trí cùng pha-PD (Phase Disposition)
• 2.3.3.3. Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition Disposition)
• 2.3.3.4. Giải thuật điều chế độ rộng xung (SPWM) cho nghịch lưu ba bậc hình T nguồn Z (ZST2I) và nghịch lưu 3 bậc hình T tựa nguồn Z (qSZT2I)
• 2.3.3.5. Giải thuật điều chế độ rộng xung (SPWM) cho nghịch lưu ba bậc tăng áp hình T tựa nguồn Z điều khiển bằng khóa tích cực (qSBT2I)
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC T-NPC ĐIỀU KHIỂN BỞI CARD DSP
• 3.1. Mô hình toán học, phương trình toán bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc T-NPC
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.2. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm
• 4.2.1. Mạch công suất
• 4.2.2. Mạch Drive PWM
• 4.2.3. Mạch khuếch đại và cách ly
• 4.2.4. Hình ảnh các module đã thi công và lắp ráp
• 4.2.5. Mô hình mạch nguồn
• 4.2.6. Mô hình mạch kích
• 4.2.7. Mô hình mạch công suất
• 4.2.8. Mô hình đã thi công
• 4.2.9. Phần mềm lập trình, biên dịch và nạp cho kít DSP TMS320F28335
• 4.2.10. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 5.1. Những đóng góp của đề tài
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• PHỤ LỤC
• LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Nghịch lưu 3 pha tại HCMUTE

Công trình nghiên cứu “Nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type-NPC” tại HCMUTE (Đại học Công nghiệp TP. HCM) tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống nghịch lưu 3 pha tiên tiến. Đề tài nhấn mạnh vào việc sử dụng cấu hình T type-NPC, một cấu trúc nghịch lưu 3 pha 3 bậc nhằm cải thiện chất lượng điện năng đầu ra, giảm thiểu sóng hài và nâng cao hiệu quả hoạt động. Việc sử dụng NPC (Neutral Point Clamped) giúp giảm điện áp trên các linh kiện bán dẫn, tăng độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống. Nghiên cứu bao gồm cả khía cạnh lý thuyết và thực tiễn, từ việc xây dựng mô hình toán học, phân tích nghịch lưu 3 pha, đến thiết kế mạch, mô phỏng và thử nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha thực tế. Đề tài có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ nghịch lưu 3 pha trong công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất và chuyển đổi năng lượng. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm hệ thống năng lượng tái tạo, điện tù công suất, và các hệ thống điều khiển động cơ.

1.1. Lý thuyết Nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type

Phần này tập trung vào cơ sở lý thuyết về nghịch lưu 3 pha 3 bậc cấu hình T type. Nghiên cứu đi sâu vào mô hình toán học và phương trình toán của hệ thống. Các phương pháp điều khiển nghịch lưu 3 pha, như điều khiển độ rộng xung SPWM và các biến thể của nó, được phân tích chi tiết. Các dạng sóng mang khác nhau, bao gồm APOD, PD, và POD, được đánh giá về hiệu quả và đặc điểm. Giải thuật điều chế độ rộng xung (SPWM) được thiết kế và tối ưu hóa cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T, cả với cấu hình nguồn Z và quasi-Z source. Thuật toán điều khiển được phát triển để đảm bảo hiệu suất cao và ổn định của hệ thống. Phần này cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc thiết kế và triển khai hệ thống nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type NPC thực tế.

1.2. Thiết kế và Mô phỏng Mạch nghịch lưu 3 pha

Công trình trình bày thiết kế mạch của mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type NPC. Thiết kế mạch công suất bao gồm việc lựa chọn các linh kiện bán dẫn phù hợp, như IGBT. Thiết kế mạch điều khiển PWM được thực hiện dựa trên thuật toán SPWM đã được phát triển ở phần lý thuyết. Việc sử dụng Card DSP cho phép thực hiện điều khiển vector nghịch lưu 3 pha và điều khiển thang xung nghịch lưu 3 pha một cách chính xác. Mô phỏng nghịch lưu 3 pha được thực hiện sử dụng phần mềm PSIM để kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo mạch thực tế. Các kết quả mô phỏng, bao gồm các dạng sóng điện áp và dòng điện, được phân tích kỹ lưỡng để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Kết quả mô phỏng giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu và dự đoán hiệu suất của hệ thống trong điều kiện vận hành thực tế.

1.3. Thực nghiệm và Kết quả Nghịch lưu 3 pha NPC

Phần này trình bày quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả thử nghiệm của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type NPC. Mô hình bao gồm các thành phần chính: mạch công suất, mạch drive PWM, và mạch khuếch đại và cách ly. Hình ảnh các mô-đun đã thi công được trình bày chi tiết. Quá trình lập trình, biên dịch và nạp chương trình cho kit DSP TMS320F28335 được mô tả rõ ràng. Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình và hiệu quả của thuật toán điều khiển. Các thông số quan trọng như THD (Total Harmonic Distortion), điện áp đầu ra, và dòng điện đầu ra được đo lường và phân tích. Phần này cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho hiệu quả của thiết kế và ứng dụng của nghịch lưu 3 pha 3 bậc T type NPC trong thực tế. Ứng dụng nghịch lưu 3 pha trong năng lượng mặt trời và các ứng dụng nghịch lưu 3 pha trong ô tô điện cũng được thảo luận.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, lĩnh vực Điện - Điện tử ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và quản lý năng lượng. Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T type-NPC (Three-phase three-level T-NPC inverter) là một trong những giải pháp tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) sang xoay chiều (AC), đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Theo ước tính, các nghịch lưu đa bậc như ba bậc đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với ưu điểm về chất lượng điện năng, giảm thiểu sóng hài và tăng hiệu suất hoạt động.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC, đồng thời phát triển mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm chứng hiệu quả. Mục tiêu cụ thể bao gồm: xây dựng mô hình toán học, mô phỏng bằng phần mềm PSIM, và nhúng chương trình điều khiển vào card DSP TMS320F28335 để điều khiển mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện rõ trong việc cải thiện kích thước, trọng lượng của bộ nghịch lưu, đồng thời nâng cao khả năng làm việc trong điều kiện ngắn mạch, đáp ứng tiêu chuẩn THD < 5% theo quy định ngành điện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung phương pháp giảng dạy hiện đại và cung cấp cơ sở lý thuyết, thực tiễn cho các ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo và công nghiệp 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 nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết nghịch lưu nguồn-Z (Z-source inverter - ZSI): Đây là cấu hình nghịch lưu có khả năng tăng áp và giảm áp trong một chặng chuyển đổi duy nhất (Single-Stage DC-AC), cho phép cả hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng cùng lúc, giảm thời gian chết chuyển mạch và giảm độ méo dạng sóng (THD). Mạng nguồn-Z bao gồm các cuộn cảm, tụ điện và diode được kết nối theo hình chữ X, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống.

2. Mô hình nghịch lưu ba bậc tăng áp bằng khóa tích cực hình T tựa nguồn Z (3L qSBT2I): Đây là cấu hình cải tiến sử dụng một mạng tăng áp quasi-switched boost (qSB) đặt trước nghịch lưu ba bậc hình T truyền thống, giúp giảm số lượng phần tử thụ động, giảm kích thước và trọng lượng, đồng thời cải thiện khả năng chịu ngắn mạch và tăng áp hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số điều chế (M), chu kỳ ngắn mạch (D0), sóng mang và sóng điều khiển trong kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM), các dạng sóng mang như APOD, PD, POD, và giải thuật điều khiển SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) và MSPWM (Modified SPWM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình xây dựng mô hình toán học, mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng card DSP TMS320F28335. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình toán học và phương trình toán bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC.
• Mô phỏng hệ thống với các thông số: điện áp ngõ vào 180V, cuộn cảm 3mH, tụ điện 2200µF, điện áp ngõ ra 110Vrms, tần số sóng mang 5kHz, điện trở tải 40Ω, hệ số ngắn mạch D=0.3, chỉ số điều chế M=0.7.
• Mô hình thực nghiệm với linh kiện IGBT 40N120, mạch kích sử dụng IC G1215S-1W và IC cách ly quang TLP250.

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm về dạng sóng xung kích, điện áp pha, điện áp dây, dòng điện pha, điện áp trên tụ điện và độ méo dạng sóng dòng điện (THD). Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 3 đến tháng 12 năm 2018, với các bước: xây dựng mô hình toán học, mô phỏng, thiết kế mạch thực nghiệm, lập trình và nạp chương trình cho card DSP, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công mô hình toán học và phương trình điều khiển: Mô hình toán học của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC được xây dựng chi tiết, bao gồm các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn và phương trình điện áp, dòng điện trong các trạng thái không ngắn mạch và ngắn mạch. Giải thuật điều khiển SPWM và MSPWM được áp dụng hiệu quả cho cấu hình này.

2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng: Dạng sóng xung kích cho các khóa bán dẫn pha a trong mô phỏng và thực nghiệm gần như trùng khớp, với sự lệch pha 120° giữa các pha phù hợp với lý thuyết. Điện áp pha a so với tâm nguồn trong thực nghiệm đạt 215V, 0, -215V, trong khi mô phỏng là 225V, 0, -225V, sự chênh lệch do tổn hao trên linh kiện.

3. Độ méo dạng sóng dòng điện thấp: Độ méo dạng sóng (THD) của dòng điện pha a trong thực nghiệm là 4.16%, thấp hơn mức tiêu chuẩn ngành điện Việt Nam là 5%, chứng tỏ chất lượng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu đạt yêu cầu kỹ thuật.

4. Cải thiện kích thước và trọng lượng: Cấu hình nghịch lưu 3L qSBT2I giảm đáng kể số lượng phần tử thụ động so với các cấu hình truyền thống, giúp giảm kích thước, trọng lượng và chi phí hệ thống mà vẫn đảm bảo khả năng làm việc trong điều kiện ngắn mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự thành công trong việc giảm THD và cải thiện hiệu suất là do cấu hình nghịch lưu sử dụng mạng tăng áp quasi-switched boost, cho phép chuyển đổi công suất một chặng duy nhất, loại bỏ thời gian chết chuyển mạch và giảm tổn hao. So với các nghiên cứu trước đây về nghịch lưu đa bậc, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển nghịch lưu đa bậc có khả năng tăng áp và chịu ngắn mạch tốt.

Việc mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả gần nhau chứng tỏ tính chính xác của mô hình toán học và giải thuật điều khiển. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng xung kích, điện áp pha, điện áp dây và dòng điện pha, cũng như bảng so sánh giá trị điện áp và THD giữa mô phỏng và thực nghiệm để minh họa sự tương đồng và hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng rộng rãi trong hệ thống năng lượng tái tạo: Khuyến nghị các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC trong các hệ thống điện mặt trời, điện gió để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm chi phí đầu tư trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp cho DSP: Đề xuất tiếp tục hoàn thiện và tối ưu hóa phần mềm điều khiển nhúng trên card DSP nhằm nâng cao độ ổn định và khả năng chịu lỗi, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm thực hiện.

3. Nâng cao chất lượng linh kiện và thiết kế mạch: Khuyến nghị sử dụng các linh kiện IGBT và tụ điện có thông số kỹ thuật cao hơn để giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị, đồng thời cải tiến thiết kế mạch công suất và mạch kích trong vòng 1 năm, do bộ phận kỹ thuật và nhà cung cấp linh kiện đảm nhiệm.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, vận hành và bảo trì bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên trong 12 tháng, nhằm phổ biến kiến thức và thúc đẩy ứng dụng thực tiễn, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Giảng viên và sinh viên ngành Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển điện tử công suất.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo: Các kỹ sư có thể áp dụng mô hình và giải thuật điều khiển để thiết kế các bộ nghịch lưu hiệu quả, giảm thiểu tổn hao và nâng cao chất lượng điện năng trong các hệ thống điện mặt trời, điện gió.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để cải tiến sản phẩm nghịch lưu, giảm kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao khả năng chịu ngắn mạch và độ bền thiết bị.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về nghịch lưu đa bậc, điều khiển DSP và ứng dụng trong các hệ thống điện công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC có ưu điểm gì so với nghịch lưu truyền thống?
   Bộ nghịch lưu này có khả năng tăng áp trong một chặng chuyển đổi duy nhất, giảm tổn hao do loại bỏ thời gian chết chuyển mạch, giảm kích thước và trọng lượng nhờ giảm phần tử thụ động, đồng thời cải thiện chất lượng điện áp với THD dưới 5%.

2. Phần mềm PSIM được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   PSIM được dùng để mô phỏng mô hình toán học của bộ nghịch lưu, kiểm tra các dạng sóng điện áp, dòng điện và hiệu suất hệ thống trước khi thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển.

3. Card DSP TMS320F28335 có vai trò gì trong mô hình thực nghiệm?
   Card DSP được sử dụng để nhúng chương trình điều khiển PWM, tạo xung kích cho các khóa bán dẫn, đảm bảo điều khiển chính xác và linh hoạt cho bộ nghịch lưu trong thực tế.

4. Độ méo dạng sóng (THD) của hệ thống có ý nghĩa như thế nào?
   THD phản ánh mức độ biến dạng của sóng điện áp hoặc dòng điện so với dạng sóng chuẩn. THD thấp (dưới 5%) đảm bảo chất lượng điện năng tốt, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị điện.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả có thể được áp dụng trong thiết kế và sản xuất bộ nghịch lưu cho các hệ thống năng lượng tái tạo, đồng thời sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu để phát triển các giải pháp điều khiển hiện đại, nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống điện.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học, phương trình và giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-NPC với khả năng tăng áp và chịu ngắn mạch.
• Mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên mô hình thực tế cho kết quả tương đồng, với THD dòng điện đạt 4.16%, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
• Cấu hình nghịch lưu cải tiến giúp giảm kích thước, trọng lượng và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.
• Phương pháp điều khiển PWM và nhúng chương trình trên card DSP TMS320F28335 được triển khai hiệu quả, đảm bảo điều khiển chính xác.
• Đề xuất tiếp tục phát triển phần mềm điều khiển, nâng cao chất lượng linh kiện và đào tạo chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong hệ thống năng lượng tái tạo và công nghiệp điện tử công suất.

Hành động tiếp theo là triển khai ứng dụng thực tế và mở rộng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả và độ ổn định của bộ nghịch lưu trong các điều kiện vận hành đa dạng. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng này.