Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc npc, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Danh Tuấn Lê
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Năm Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4. Mục đích của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Điểm mới của đề tài
• 1.8. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về nghịch lưu đa bậc
• 2.2. Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped)
• 2.2.2. Cấu trúc bộ nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter)
• 2.2.3. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng cascade
• 2.2.4. Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng H-NPC
• 2.3. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC
• 2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM
• 2.3.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM)
• 2.3.3. Phương pháp điều chế vector không gian
• 2.3.3.1. Khái niệm vector không gian
• 2.3.3.2. Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 2.3.3.3. Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H-NPC
• 3.1. Nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
• 3.2. Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc H-NPC
• 3.2.1. Kỹ thuật PWM dùng sóng mang
• 3.2.1.1. Tổng quan kỹ thuật PWM dùng sóng mang
• 3.2.1.2. Kỹ thuật PWM dùng nhiều sóng mang
• 3.2.2. Phương pháp PWM đề xuất
• 3.3. Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC
• 3.3.1. Thông số mô phỏng
• 3.3.2. Mô hình mô phỏng
• 3.3.3. Chức năng các khối trong mô hình
• 3.3.3.1. Khối tạo sóng sin
• 3.3.3.2. Khối sóng mang
• 3.3.3.3. Khối xung kích
• 3.3.3.3.1. Kết quả mô phỏng
• 3.3.3.3.2. Phân tích FFT
• 3.3.3.3.3. Bảng phân tích FFT áp tải với các chỉ số điều chế
• 3.3.3.3.3.1. Phân tích FFT áp tải
• 3.3.3.3.3.2. So sánh phương pháp đề xuất với các phương pháp đã công bố ở Việt Nam
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.2. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm
• 4.2.1. Mạch động lực
• 4.2.2. Mạch điều khiển
• 4.3. Tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.4. Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng
• 4.4.1. Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng
• 4.4.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink
• 4.5. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng
• 4.5.1. Kết quả xung kích
• 4.5.2. Điện áp pha tâm nguồn
• 4.5.3. Điện áp pha tâm tải
• 4.5.3.1. Điện áp tải với chỉ số điều chế m = 1, tải R-L, R = 82Ω và L = 50mH
• 4.5.3.2. Phân tích FFT điện áp pha tâm tải
• 4.5.4. Đặc tuyến điều khiển áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m
• 4.5.5. So sánh THD giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 4.5.6. So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Những kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc tại HCMUTE

Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc tại HCMUTE tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu đa bậc. Bộ nghịch lưu là một phần quan trọng trong hệ thống điện, có khả năng chuyển đổi điện áp DC thành AC với chất lượng cao. Đặc biệt, bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC được nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất và giảm thiểu số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Kỹ thuật điều chế sóng mang và điều chế độ rộng xung (PWM) được áp dụng để tối ưu hóa quá trình này. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp điện tử.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất. Các nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều chế mới có thể giảm thiểu đáng kể số lần chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu của Bùi Thanh Hiếu về bộ nghịch lưu ba pha cầu H cho thấy hiệu quả trong việc giảm common-mode và THDU. Ngoài ra, các nghiên cứu quốc tế cũng đã đề xuất nhiều giải pháp tối ưu cho bộ nghịch lưu đa bậc, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực này.

1.2. Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống điện công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển bộ nghịch lưu ba pha năm bậc không chỉ giúp cải thiện hiệu suất năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Năng lượng tái tạo và các ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa cũng đang ngày càng cần thiết, đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến. Đề tài này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ứng dụng thực tiễn cao, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp điện tử tại Việt Nam.

II. Cơ sở lý thuyết về bộ nghịch lưu ba pha năm bậc

Cơ sở lý thuyết về bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC bao gồm các cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nó. Cấu trúc bộ nghịch lưu H-NPC cho phép điều khiển điện áp đầu ra với độ chính xác cao và giảm thiểu độ méo hài. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển các khóa công suất, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng. Việc áp dụng các phương pháp điều chế như SVPWM và CPWM đã cho thấy hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng việc sử dụng hàm offset trong điều chế có thể giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu.

2.1. Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc

Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiều cấu trúc khác nhau, trong đó cấu trúc H-NPC là một trong những cấu trúc phổ biến nhất. Cấu trúc này cho phép điều khiển điện áp đầu ra với độ chính xác cao và giảm thiểu độ méo hài. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp. Cấu trúc H-NPC cũng cho phép giảm thiểu số lần chuyển mạch, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2.2. Kỹ thuật điều chế sóng mang

Kỹ thuật điều chế sóng mang (PWM) là một phần quan trọng trong việc điều khiển bộ nghịch lưu. Các phương pháp điều chế như Sin PWM và MSPWM đã được áp dụng để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng. Việc sử dụng các kỹ thuật điều chế mới giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra và giảm thiểu số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng việc áp dụng hàm offset trong điều chế có thể giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu.

III. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các giải pháp đề xuất trong nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc. Các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm MATLAB/SIMULINK cho thấy rằng số lần chuyển mạch của các khóa công suất có thể giảm đến 30% so với các phương pháp truyền thống. Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K cũng cho thấy sự phù hợp với các kết quả mô phỏng. Việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển mới đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu.

3.1. Kết quả mô phỏng

Mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK cho thấy rằng việc áp dụng hàm offset trong điều chế sóng mang giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng số lần chuyển mạch có thể giảm đến 30%, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu. Các chỉ số THD cũng được cải thiện, cho thấy chất lượng điện áp đầu ra tốt hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K cho thấy sự phù hợp với các kết quả mô phỏng. Các chỉ số điện áp và dòng điện đều đạt yêu cầu, cho thấy rằng các giải pháp đề xuất trong nghiên cứu có thể áp dụng thực tế. Việc thực nghiệm cũng cho thấy rằng các kỹ thuật điều khiển mới giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và chất lượng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghiệp điện tử công suất, bộ nghịch lưu đa bậc đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng điện một chiều sang xoay chiều với chất lượng cao và hiệu suất tốt. Theo ước tính, bộ nghịch lưu ba pha đa bậc được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp, đặc biệt là biến tần điều khiển động cơ. Tuy nhiên, các cấu hình nghịch lưu ba bậc truyền thống còn tồn tại nhược điểm như độ méo hài tổng (THD) cao và điện áp common mode lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Do đó, nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC (Neutral Point Clamped) nhằm cải thiện chất lượng điện áp đầu ra, giảm số lần chuyển mạch và giảm méo hài là cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC, đồng thời thực hiện mô phỏng và thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC với tải R-L, trong điều kiện tần số sóng mang 3 kHz và tần số tải 50 Hz. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm đến 30% số lần chuyển mạch, giảm THD điện áp tải xuống còn khoảng 3.74%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống biến tần trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Bộ nghịch lưu đa bậc H-NPC: Cấu trúc gồm hai nhánh NPC trên mỗi pha, sử dụng nguồn DC độc lập, tạo ra năm mức điện áp khác nhau (-Vd, -Vd/2, 0, Vd/2, Vd). Ưu điểm là giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) dùng sóng mang (Carrier Based PWM - CPWM): So sánh điện áp điều khiển với nhiều sóng mang tam giác để tạo xung kích cho các khóa công suất. Phương pháp này giúp điều khiển tuyến tính điện áp tải trong phạm vi chỉ số điều chế m ≤ 1.

• Hàm offset bậc ba trong điều chế sóng mang: Sử dụng hàm offset để dịch chuyển điện áp điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, nhằm giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Hàm offset được xác định dựa trên giá trị chênh lệch điện áp điều khiển với ngưỡng trên và dưới của sóng mang.

• Phân tích phổ Fourier (FFT): Đánh giá chất lượng sóng điện áp và dòng điện tải qua chỉ số méo hài tổng (THD), giúp so sánh hiệu quả các phương pháp điều chế.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink với các thông số: điện áp DC nguồn Vd = 150 V, tần số sóng mang 3 kHz, tải R-L với R = 82 Ω, L = 50 mH, tần số tải 50 Hz.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba, phân tích số lần chuyển mạch, sóng điện áp và dòng điện tải, đánh giá THD qua phân tích FFT. Thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335, lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink bằng Code Composer Studio V3.3.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2014 đến tháng 10/2015, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, lập trình nhúng và thực nghiệm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC với tải R-L tiêu chuẩn, phù hợp để đánh giá hiệu quả điều chế trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm số lần chuyển mạch: Kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất/pha trong một chu kỳ đến khoảng 30% so với các phương pháp đã công bố trong nước.

2. Chất lượng sóng điện áp tải: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp tải pha a có dạng sóng gần sin với biên độ đỉnh - đỉnh khoảng 175 V, tần số 50 Hz, và THD điện áp tải đạt 3.74% tại chỉ số điều chế m = 1, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp MSPWM và các nghiên cứu trước đó (THD dao động từ 27% đến 50%).

3. Dòng điện tải ổn định: Dòng điện tải pha a đạt giá trị hiệu dụng 2.267 A với THD dòng điện chỉ khoảng 0.23%, đảm bảo vận hành ổn định và giảm tổn hao trong tải.

4. So sánh với các phương pháp khác: Phương pháp đề xuất có THD điện áp tải thấp hơn so với các phương pháp Voffset medium và các nghiên cứu trong nước, đồng thời giảm số lần chuyển mạch hiệu quả hơn, góp phần giảm tổn hao chuyển mạch và tăng tuổi thọ linh kiện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm số lần chuyển mạch là do hàm offset bậc ba dịch chuyển điện áp điều khiển về gần ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, tạo giao cắt giả giữa sóng điều khiển và sóng mang, từ đó giảm tần suất kích đóng ngắt các khóa công suất. Kết quả này phù hợp với lý thuyết về giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện hiệu suất bộ nghịch lưu.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, phương pháp đề xuất không chỉ giảm THD mà còn giảm số lần chuyển mạch, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của biến tần đa bậc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ THD theo chỉ số điều chế m, bảng phân tích FFT điện áp và dòng điện tải, cũng như biểu đồ so sánh số lần chuyển mạch giữa các phương pháp.

Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với DSP TMS320F28335 và IGBT STGW25N120K đã xác nhận tính khả thi và hiệu quả của giải thuật, đồng thời cho thấy sự phù hợp của kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba trong các hệ thống biến tần công nghiệp nhằm giảm tổn hao chuyển mạch và nâng cao chất lượng điện áp đầu ra. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các nhà sản xuất biến tần và đơn vị nghiên cứu.

2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp mô hình MATLAB/Simulink cho vi xử lý DSP TMS320F28335 để đơn giản hóa quá trình thiết kế và thử nghiệm thuật toán điều khiển. Thời gian: 3-6 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật.

3. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor để đánh giá hiệu quả điều chế sóng mang với hàm offset trong các hệ thống phức tạp hơn. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo và cập nhật kiến thức cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất về kỹ thuật điều chế sóng mang cải tiến và lập trình nhúng DSP, nhằm nâng cao năng lực thực hành và nghiên cứu. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Nắm vững kiến thức về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế sóng mang và lập trình nhúng DSP, phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động điện: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset để cải thiện hiệu suất và độ bền thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu mới liên quan đến bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật điều khiển.

4. Các đơn vị sản xuất và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Hiểu rõ nguyên lý và ứng dụng kỹ thuật điều chế để nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ bảo trì, sửa chữa.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc ba là gì?
   Là phương pháp điều chế PWM sử dụng hàm offset bậc ba để dịch chuyển điện áp điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Ví dụ, giảm đến 30% số lần chuyển mạch so với phương pháp truyền thống.

2. Phương pháp này có ưu điểm gì so với các kỹ thuật điều chế khác?
   Ưu điểm chính là giảm tổn hao chuyển mạch, giảm THD điện áp tải (đạt khoảng 3.74%), và cải thiện độ bền linh kiện. So với MSPWM, phương pháp này cho chất lượng sóng tốt hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn.

3. Vi xử lý DSP TMS320F28335 được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   DSP TMS320F28335 được lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink bằng Code Composer Studio, tự động biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp vào vi xử lý, giúp thực hiện thuật toán điều khiển PWM trên phần cứng mà không cần lập trình lại thủ công.

4. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng không?
   Kết quả thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K và tải R-L cho thấy dạng sóng điện áp và dòng điện tải gần giống mô phỏng, THD điện áp tải đạt 3.74%, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải thuật.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu khác không?
   Có thể mở rộng áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh thuật toán phù hợp với đặc điểm cấu trúc và điều kiện vận hành của từng loại.

Kết luận

• Đề tài đã phát triển thành công kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc ba cho bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC, giảm số lần chuyển mạch đến 30%.
• Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy THD điện áp tải đạt 3.74%, đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng điện áp.
• Giải thuật được triển khai hiệu quả trên vi xử lý DSP TMS320F28335 với lập trình nhúng từ mô hình MATLAB/Simulink.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của biến tần đa bậc trong ứng dụng công nghiệp.
• Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng ứng dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác và phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp.

Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất tiếp tục ứng dụng và phát triển kỹ thuật điều chế này để nâng cao hiệu quả hệ thống truyền động điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Từ kết quả so sánh giữa mô phỏng với mô hình thực nghiệm sẽ đề xuất các hƣớng nghiên cứu tiếp theo và các ứng dụng cho nghịch lƣu 5 bậc H-NPC trên cơ sở các bộ tiêu chuẩn Việt Nam về nguồn điện. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài:  Thành lập mô hình và mô phỏng giải thuật đề xuất trên Matlab  Xây dựng mô hình thực nghiệm và Lập trình nhúng DSP F28335 bằng Matlab/Simulink để thực nghiệm trên mô hình thực tế.  Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 1. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lƣu đa bậc - Ứng dụng kỹ thuật điều chế CPWM xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm Matlab cho bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H- NPC.

- Thực nghiệm giải thuật trên mô hình nghịch lƣu 5 bậc H-NPC. - So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng kết hợp với các TCVN để rút ra các kết luận trong việc ứng dụng thực tế nghịch lƣu 5 bậc H-NPC. Điểm mới của đề tài: - Đề tài đã triển khai ứng dụng phƣơng pháp điều chế CPWM trên cấu hình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. - Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật CPWM trên nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H- NPC - Dựa trên các tiêu chuẩn TCVN để đề xuất khả năng và phạm vi ứng dụng của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC 1.

Giá trị thực tiễn của đề tài: - Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất. -Cho thấy khả năng triển khai và ứng dụng nguyên lý điều chế CPWM trên cấu hình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. - Xác định đƣợc phạm vi ứng dụng của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. Trang 5 Luan van Chƣơng 2 Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Tổ ng quan về nghịch lƣu đa bậc 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lƣu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi nănglƣợng từ nguồn điện một chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghịch lƣu áp là một bộ nghịch lƣu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tƣợng điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lƣu dòng là bộ nghịch lƣu có nguồn cung cấp là nguồn dòng và đối tƣợng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng. Bộ nghịch lƣu áp cung cấp và điều khiển áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện áp một chiều có thể là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều đƣợc chỉnh lƣu từ điện áp xoay chiều đƣợc lọc phẳng…Các tải xoay chiều thƣờng mang tính cảm kháng nhƣ động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên.

Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lƣu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất lớn có thể dùng GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Mỗi linh kiện còn mắc thêm diode đối song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện.2 Phân loại Bộ nghịch lƣu áp có nhiều loại cũng nhƣ nhiều phƣơng pháp điều khiển khác nhau: + Theo số pha : nghịch lƣu một pha, nghịch lƣu ba pha. + Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên) Bộ nghịch lƣu áp hai bậc có nhƣợc điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ với độ dốc (dv/dt) khá lớn gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (commonmode voltage) lớn.

Bộ nghịch lƣu đa bậc phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch lƣu hai bậc và nó thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Trang 6 Luan van Chƣơng 2 Ƣu điểm của bộ nghịch lƣu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lƣu tăng lên, điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành phần hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lƣu hai bậc [2]. + Theo cấu hình bộ nghịch lƣu: dạng cascade (cascade converter), dạng diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor converter), các loại nghịch lƣu lai … + Theo phƣơng pháp điều chế:  Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).  Phƣơng pháp điề u chế vector không gian (SVPWM)  Phƣơng pháp điều chế sóng mang(Carrier Based PWM).2 Các cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc 2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu áp NPC.

Bộ nghịch lƣu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt đƣợc n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lƣu là n+1 bậc. 1: Bô ̣ nghich ̣ lƣu áp da ̣ng NPC Trang 7 Luan van Chƣơng 2 Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lƣu đa bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nửa [2].

Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.2 Cấu trúc bộ nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] Hình 2. 2: Bô ̣ nghich ̣ lƣu áp dạng kẹp tụ Ƣu điểm chính của bộ nghịch lƣu này là: + Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc. + Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể điều tiết đƣợc phân bố công suất trong lƣới dùng biến tần. Nhƣợc điểm chính của bộ nghịch lƣu này là: + Số lƣợng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm.

+ Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lƣu tăng cao.3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng cascade Sƣ̉ du ̣ng các nguồ n DC r iêng, thích hợp cho trƣờng hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ : dƣới da ̣ng acquy, pin.3 là bộ nghịch lƣu Cascad e gồ m nhiề u Trang 8 Luan van Chƣơng 2 bô ̣ nghich ̣ lƣu áp cầ u H mô ̣t pha ghép nố i tiế p với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lƣu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) đƣợc tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lƣu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd/2, -2*Vd/2, .-n*Vd/2); n mức điện áp dƣơng (Vd/2, 2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0. Nhƣ vậy, bộ nghịch lƣu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lƣu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich lƣu (2n+1) bậc.

3: Bô ̣ nghich ̣ lƣu áp đa bâ ̣c da ̣ng cascade 2. Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng H-NPC Hình 2. 4:Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dạng H-NPC Bộ nghịch lƣu áp dạng H-NPC hình 2.4 , mỗi pha của bộ nghịch lƣu bao gồm hai nhánh NPC. Một nhánh đƣợc kết nối với tải và nhánh còn lại nối vào điểm n trung tính.

Cầu H đƣợc cung cấp bởi nguồn DC độc lập [13]. Biế n tầ n đa bâ ̣c là thiế t bi ̣biế n đổ i điê ̣n năng có vai trò ngày càng quan tro ̣ng trong các lĩnh vƣ̣c ƣ́ng Trang 9 Luan van Chƣơng 2 dụng khác nhau nhƣ phục vụ biến đổi điện cơ , giao thông , vâ ̣n tải , quản lý chất lƣơ ̣ng hê ̣ thố ng điê ̣n , chuyển đổi các dạng năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣơ ̣ng gió về hòa lƣới điê ̣n. Hai kỹ thuâ ̣t điề u khiể n biế n tầ n đa bâ ̣c thƣờng đƣơ ̣c quan tâm là kỹ thuâ ̣t điề u chế vectơ không gian và kỹ thuâ ̣t điề u chế sóng mang dƣ̣a vào hàm offset. Khả năng khai thác hàm offset trong tín hiệu điều khiể n có thể làm tăng cƣờng các tính năng xác lâ ̣p và các tính chấ t điê ̣n của thiế t bi ̣ nhƣ pha ̣m vi điề u khiể n điê ̣n áp (và dòng điện ) tố i đa, khả năng cân bằng điện áp trên tụ DC link, khả năng giảm bớt các nhiễu do sóng hài gây ra… 2.

Nhận xét Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều có những ƣu và nhƣợc điểm riêng nhƣng thông dụng nhất vẫn là dạng cascade và dạng NPC vì sơ đồ dùng tụ khó thực hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch đƣợc nạp với mức điện áp khác nhau khi mạch làm việc với số bậc lớn. Tuy nhiên do nhƣợc điểm của cascade đa bậc dùng nhiều nguồn rất tốn kém và NPC đa bậc khó khăn về việc cân bằng điện áp nguồn và tải,nên việc nghiên cứu triển khai thực tế bộ nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H- NPC là cần thiết và đó chính là nội dung chính trong luận văn này.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC 2.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM Phƣơng pháp này sử dụng sóng điều chế (điều khiển) dạng sin để so sánh với các sóng mang dạng tam giác tạo giản đồ kích đóng cho linh kiện. Đối với bộ nghịch lƣu n bậc, số sóng mang đƣợc sử dụng là n-1, chúng có cùng tần số fc và biện độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều khiển có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang.

Nếu sóng mang điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tƣơng ứng sóng mang đó sẽ đƣợc kích đóng, trong trƣờng hợp sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang tƣơng ứng của nó, linh kiện trên sẽ bị khóa kích. Đối với bộ nghịch lƣu áp đa bậc, chỉ số biên độ ma và chỉ số tần số mf đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Trang 10 Luan van Chƣơng 2 𝐴𝑚 (2.