Luận Văn Thạc Sĩ Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Năm Bậc NPC

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc npc, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

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

Mục lục chi tiết

• 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. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.6. Mục đích của đề tài
• 1.7. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.8. Phương pháp nghiên cứu
• 1.9. Điểm mới của đề tài
• 1.10. 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
• 3.2.3. 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
• 3.3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.3.4.1. Phân tích FFT
• 3.3.4.2. Bảng phân tích FFT áp tải với các chỉ số điều chế
• 3.3.4.2.1. Phân tích FFT áp tải
• 3.3.4.2.2. 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
• 4.2.3. Tổng thể mô hình thực nghiệm
• 4.3. Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng
• 4.3.1. Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng
• 4.3.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink
• 4.4. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng
• 4.4.1. Kết quả xung kích
• 4.4.2. Điện áp pha tâm nguồn
• 4.4.3. Điện áp pha tâm tải
• 4.4.3.1. Điện áp tải với chỉ số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω và L = 50mH
• 4.4.3.2. Phân tích FFT điện áp pha tâm tải
• 4.4.4. Đặc tuyến điều khiển áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m
• 4.4.5. So sánh THD giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 4.4.6. 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 NPC

Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện tử công suất. Bộ nghịch lưu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến méo hài và điện áp common mode. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế mới cho bộ nghịch lưu này đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp điện.

1.1. Tình hình nghiên cứu bộ nghịch lưu trong nước

Nhiều nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất so với các cấu hình truyền thống. Các tác giả như Bùi Thanh Hiếu đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm với kết quả khả quan.

1.2. Tình hình nghiên cứu bộ nghịch lưu quốc tế

Nghiên cứu quốc tế về bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC đã cho thấy nhiều cải tiến trong việc giảm thiểu tần số chuyển mạch và méo hài. Các bài báo như 'A Novel Switching Sequence Design' đã đề xuất các phương pháp điều chế tiên tiến.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu

Mặc dù bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ méo hài cao và điện áp common mode lớn vẫn là những trở ngại lớn trong việc ứng dụng thực tiễn.

2.1. Độ méo hài và ảnh hưởng đến hiệu suất

Độ méo hài tổng (THD) cao có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Việc nghiên cứu các phương pháp điều chế mới nhằm giảm thiểu THD là rất cần thiết.

2.2. Điện áp common mode và giải pháp

Điện áp common mode cao có thể gây ra các vấn đề về an toàn và hiệu suất. Cần có các giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu vấn đề này trong thiết kế bộ nghịch lưu.

III. Phương pháp Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Năm Bậc NPC

Phương pháp nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC bao gồm việc áp dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế vector không gian. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu số lần chuyển mạch.

3.1. Kỹ thuật điều chế PWM cho bộ nghịch lưu

Kỹ thuật PWM giúp điều khiển chính xác các khóa công suất trong bộ nghịch lưu, từ đó cải thiện hiệu suất và giảm thiểu méo hài.

3.2. Kỹ thuật điều chế vector không gian

Điều chế vector không gian là một phương pháp tiên tiến giúp tối ưu hóa điện áp đầu ra và giảm thiểu số lần chuyển mạch trong bộ nghịch lưu.

IV. Ứng dụng Thực Tiễn của Bộ Nghịch Lưu Ba Pha Năm Bậc NPC

Bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống truyền động điện và năng lượng tái tạo. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống truyền động điện

Bộ nghịch lưu này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

4.2. Ứng dụng trong năng lượng tái tạo

Bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC cũng được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời và gió, giúp tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng.

V. Kết luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu

Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến điện áp và méo hài. Hướng phát triển tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp điều chế và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Kết luận về hiệu suất bộ nghịch lưu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC có hiệu suất cao hơn so với các cấu hình truyền thống.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều chế mới để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu các vấn đề hiện tại.

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 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 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 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 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 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 Chƣơng 2 𝐴𝑚 (2.2) 𝑚𝑓 = 𝑓𝑚 Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.