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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện công nghiệp và nguồn năng lượng tái tạo trong hơn 30 năm qua đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp của các bộ biến đổi năng lượng xoay chiều. Các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống thường bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng như độ dốc điện áp $dv/dt$ quá cao, tổn hao đóng ngắt lớn và điện áp chế độ chung (common-mode voltage) gây suy giảm tuổi thọ động cơ. Dù cấu trúc nghịch lưu 3 bậc đã bước đầu được thương mại hóa, mức độ méo dạng sóng hài tổng (THD) vẫn còn tương đối cao, thường vượt ngưỡng 25% đến 35% khi chưa có bộ lọc chuyên dụng. Để giải quyết triệt để vấn đề này, cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai, tiêu biểu là bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc cầu H kẹp diode (H-NPC), nổi lên như một giải pháp đột phá.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn công suất bằng kỹ thuật điều chế sóng mang kết hợp hàm offset bậc 3. Mục tiêu cốt lõi của công trình là giảm thiểu số lần chuyển mạch, từ đó giảm tổn hao công suất trên các linh kiện và hạ thấp độ méo hài điện áp ngõ ra. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Các kết quả kiểm chứng cho thấy giải thuật đề xuất giúp giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trên mỗi pha lên đến 30% trong một chu kỳ làm việc. Đồng thời, độ méo hài tổng của điện áp pha tải được kiểm soát ở mức 3.74%, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu nghiêm ngặt của Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi điện năng đa bậc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung tiên tiến:

• Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC: Cấu hình mạch tích hợp các ưu điểm của mạch nghịch lưu cầu H và mạch diode kẹp trung tính (NPC). Mỗi pha bao gồm hai nhánh NPC được cấp bởi một nguồn điện một chiều DC riêng biệt (điện áp $V_d = 150V$). Cấu trúc toàn hệ thống sử dụng tổng cộng 24 khóa đóng ngắt bán dẫn (8 IGBT cho mỗi pha), cho phép tạo ra 5 mức điện áp đầu ra riêng biệt: $+V_d$, $+V_d/2$, $0$, $-V_d/2$, và $-V_d$. Khả năng phân chia điện áp này giúp giảm biên độ ứng suất điện áp đặt lên mỗi linh kiện xuống 50% so với nghịch lưu 2 bậc.
• Lý thuyết không gian vector và điều chế sóng mang (CPWM): Hệ thống 5 bậc tạo ra $5^3 = 125$ trạng thái đóng ngắt tương ứng với các vector điện áp trên mặt phẳng tọa độ $\alpha-\beta$. Bằng cách giải tích hóa mối quan hệ giữa điều chế vector không gian (SVPWM) và điều chế sóng mang (CPWM), luận văn áp dụng 4 sóng mang tam giác đồng pha (In-Phase Disposition - PD) có tần số $3kHz$ ($C_1, C_2, C_3, C_4$) kết hợp với sóng điều chế sin cải biến.
• Hàm offset bậc 3 tối ưu hóa chuyển mạch: Nguyên lý cốt lõi là chèn thêm thành phần điện áp thứ tự không (zero-sequence voltage) vào tín hiệu điều khiển 3 pha ban đầu. Giá trị offset ($V_{offset}$) được tính toán linh hoạt dựa trên độ lệch biên độ cực tiểu giữa điện áp điều khiển với các ngưỡng $+1$ và $-1$ của sóng mang. Khi điện áp điều khiển được dịch chuyển chạm vào ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu, khóa công suất ở pha tương ứng sẽ giữ nguyên trạng thái đóng hoặc ngắt, loại bỏ hoàn toàn các giao cắt dư thừa và triệt tiêu số lần chuyển mạch không cần thiết.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng:

• Nguồn dữ liệu và phân tích mô phỏng: Hệ thống được mô hình hóa và mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink với bộ thông số đầu vào chuẩn xác: điện áp nguồn một chiều $V_d = 150V$, tần số cơ bản ngõ ra $50Hz$, tần số sóng mang $3kHz$, tải 3 pha dạng trở - cảm ($R-L$) đối xứng với giá trị điện trở $R = 82\Omega$ và điện cảm $L = 50mH$ ($0.05H$). Dữ liệu điện áp và dòng điện được thu thập và xử lý qua thuật toán phân tích phổ biến đổi Fourier nhanh (FFT) trên toàn bộ dải chỉ số điều chế biên độ $m$ biến thiên từ $0.1$ đến $1.0$.
• Xây dựng phần cứng và kỹ thuật lập trình nhúng: Mô hình thực nghiệm sử dụng 24 khóa bán dẫn IGBT loại FGA25N120 (chịu dòng $25A$, điện áp $1200V$, nhiệt độ làm việc tối đa $100^\circ C$, ngưỡng xung kích cổng $\pm 20V$), kết hợp 6 tụ lọc một chiều dung lượng $4700\mu F - 350V$ và 3 bộ cầu chỉnh lưu diode KBPC3510. Khối điều khiển trung tâm sử dụng kit vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 32-bit tốc độ cao của Texas Instruments. Toàn bộ thuật toán điều chế được thiết kế trực tiếp trong MATLAB/Simulink, sau đó biên dịch tự động sang mã nguồn C thông qua phần mềm Code Composer Studio (CCS) V3.3 và nạp trực tiếp vào bộ nhớ DSP. Giải pháp lập trình nhúng này giúp rút ngắn thời gian phát triển hệ thống và loại bỏ hoàn toàn các sai số logic so với lập trình thủ công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trên hệ thống nghịch lưu 5 bậc H-NPC mang lại các kết quả nổi bật sau:

• Giảm mạnh tần số chuyển mạch: Kỹ thuật tiêm hàm offset bậc 3 giúp giảm chính xác 30% số lần đóng ngắt của các khóa công suất trong mỗi chu kỳ điện áp so với phương pháp điều chế SPWM kinh điển. Điều này giúp giảm đáng kể nhiệt lượng tỏa ra trên các phiến tản nhiệt nhôm và nâng cao hiệu suất làm việc của toàn bộ hệ thống chuyển đổi công suất.
• Chất lượng sóng điện áp và dòng điện vượt trội: Tại chỉ số điều chế danh định $m = 1.0$, kết quả phân tích FFT cho thấy điện áp pha tải đạt độ méo hài tổng $THD_{Uta} = 3.74%$ với điện áp hiệu dụng danh định là $105.8V$ ở tần số $50Hz$. Dòng điện pha tải có dạng sóng sin chuẩn với biên độ đỉnh $1.79A$, giá trị hiệu dụng $2.267A$ và hệ số méo hài cực thấp $THD_{Ita} = 0.23%$.
• Dạng sóng 5 bậc đối xứng hoàn hảo: Điện áp pha tâm nguồn thể hiện rõ ràng 5 mức điện áp cân bằng gồm $-150V, -75V, 0V, +75V, +150V$. Điện áp dây 3 pha ($U_{ab}, U_{bc}, U_{ca}$) có biên độ đỉnh - đỉnh đạt mức đối xứng dao động từ $-300V$ đến $+300V$ với góc lệch pha chuẩn $120^\circ$ điện.
• Đặc tuyến đáp ứng ổn định trên toàn dải điều chế: Khi chỉ số điều chế $m$ tăng từ $0.1$ lên $1.0$, hệ số $THD$ của điện áp tải giảm đều từ mức $186.47%$ xuống $3.74%$, chứng minh tính tuyến tính và độ tin cậy cao của thuật toán điều khiển trong toàn bộ vùng điều chế tuyến tính.

Thảo luận kết quả

Khi biểu diễn dữ liệu qua biểu đồ đặc tuyến quan hệ giữa chỉ số điều chế $m$ và hệ số méo hài $THD$, đường cong suy giảm sóng hài thể hiện rõ xu hướng tối ưu hóa khi hệ thống tiến gần về vùng điều chế cực đại ($m=1$). Nguyên nhân của sự cải thiện này bắt nguồn từ việc hàm offset bậc 3 dịch chuyển tín hiệu sóng điều khiển về sát đỉnh sóng mang tam giác, tận dụng tối đa biên độ nguồn một chiều DC-link và triệt tiêu các sóng hài bậc thấp (bậc 3, bậc 5, bậc 7).

So sánh định lượng với các công trình nghiên cứu nghịch lưu đa bậc đã công bố trước đây tại Việt Nam cho thấy bước tiến vượt bậc của giải thuật đề xuất:

• Nghiên cứu của tác giả Bùi Thanh Hiếu về nghịch lưu lai 5 bậc sử dụng một sóng mang ghi nhận hệ số méo hài điện áp $THD_{Uta} = 27.11%$.
• Nghiên cứu cân bằng điểm trung tính cho biến tần NPC 3 bậc của tác giả Lê Văn Mạnh Giàu đạt $THD_{Uta} = 35.66%$.
• Báo cáo của nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ tại Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc VCM ghi nhận mức méo hài lên tới $THD_{Uta} = 50.99%$ trên biến tần NPC 3 bậc.

Các so sánh trên khẳng định cấu hình 5 bậc H-NPC kết hợp kỹ thuật điều chế offset cải biến không chỉ giảm 1/3 số lần chuyển mạch mà còn mang lại chất lượng điện áp tốt hơn gấp nhiều lần so với các cấu hình 3 bậc truyền thống, đưa độ méo hài về dưới ngưỡng 5% theo tiêu chuẩn phân phối điện lực.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển và ứng dụng rộng rãi cấu trúc biến tần 5 bậc H-NPC vào môi trường công nghiệp thực tế, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cần được ưu tiên triển khai:

• Nâng cấp thuật toán điều khiển phản hồi vòng kín (Closed-loop Control): Cần tích hợp các khâu điều khiển dòng điện và điện áp theo hệ tọa độ quay $d-q$ để ổn định điện áp ngõ ra khi phụ tải thay đổi đột ngột. Mục tiêu kỹ thuật là duy trì sai số điện áp dưới $1.5%$ trong thời gian quá độ nhỏ hơn $20ms$, với lộ trình thực hiện trong vòng 6 tháng bởi các nhóm nghiên cứu điều khiển tự động.
• Thương mại hóa và mở rộng dải công suất: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện nâng cấp tầng công suất sử dụng module IGBT thông minh (IPM) có định mức $1200V - 100A$ hoặc các linh kiện bán dẫn thế hệ mới như Silicon Carbide (SiC) MOSFET. Định hướng ứng dụng cho các trạm biến tần năng lượng mặt trời và năng lượng gió công suất từ $50kW$ đến $250kW$ với thời gian chuyển giao công nghệ ước tính 12 tháng.
• Tối ưu hóa bộ lọc ngõ ra và triệt tiêu điện áp vi sai: Thiết kế bổ sung bộ lọc thụ động tích hợp dạng L-C-L nhằm cắt giảm triệt để các thành phần sóng hài bậc cao xung quanh tần số sóng mang $3kHz$, hướng tới mục tiêu đưa $THD$ điện áp ngõ ra xuống dưới $2.0%$ trong khung thời gian 9 tháng do các kỹ sư R&D thiết kế phần cứng đảm nhiệm.
• Hoàn thiện thư viện phần mềm nhúng tự động: Xây dựng khối thư viện điều khiển chuẩn hóa trên nền tảng MATLAB/Simulink hỗ trợ các dòng vi xử lý DSP 32-bit kép, giúp rút ngắn thời gian tính toán của vòng lặp điều khiển xuống dưới $10\mu s$, phục vụ công tác đào tạo và phát triển sản phẩm công nghiệp trong vòng 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành Điện tử công suất: Tài liệu cung cấp bản thiết kế chi tiết về mạch động lực 24 khóa IGBT, mạch cách ly quang đệm xung, mạch kích driver và giải thuật CPWM dùng hàm offset bậc 3 tối ưu hóa tổn hao cho các dòng biến tần công nghiệp.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình mô hình hóa hệ thống trên MATLAB/Simulink, phương pháp giải tích hóa vector không gian và kỹ thuật lập trình nhúng trực tiếp sang DSP TMS320F28335.
• Kỹ sư vận hành hệ thống năng lượng tái tạo và lưới điện microgrid: Cung cấp giải pháp biến tần nối lưới 5 bậc chất lượng cao, giúp đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về sóng hài hòa lưới điện tại các nhà máy điện mặt trời và điện gió quy mô từ $100kVA$ trở lên.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Có thể sử dụng toàn bộ mô hình thí nghiệm phần cứng và cấu trúc phần mềm của luận văn để xây dựng giáo trình thực hành chuyên sâu cho môn học Điện tử công suất nâng cao và Truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

Cấu hình biến tần 5 bậc H-NPC có ưu điểm gì vượt trội so với biến tần 2 bậc và 3 bậc truyền thống?
Biến tần 5 bậc H-NPC tạo ra điện áp ngõ ra với 5 mức phân tách, giúp giảm 50% độ dốc điện áp $dv/dt$ trên mỗi linh kiện bán dẫn. Điều này làm giảm đáng kể ứng suất điện áp đặt lên 24 khóa IGBT FGA25N120, triệt tiêu dòng rò và giảm kích thước bộ lọc đầu ra so với các cấu trúc 2 bậc hoặc 3 bậc cũ.

Bản chất của hàm offset bậc 3 trong việc giảm số lần chuyển mạch là gì?
Hàm offset bậc 3 được cộng thêm vào sóng điều chế sin để dịch chuyển tức thời pha có điện áp lớn nhất về chạm sát ngưỡng biên độ $+1$ hoặc $-1$ của sóng mang. Khi tín hiệu điều khiển nằm ngoài vùng giao cắt với sóng mang, các khóa IGBT của pha đó sẽ ngừng chuyển mạch tạm thời, giúp giảm tới 30% tổng số lần đóng ngắt trong một chu kỳ.

Chất lượng điện áp của nghiên cứu có đáp ứng tiêu chuẩn lưới điện hiện hành không?
Kết quả phân tích phổ FFT cho thấy tại chỉ số điều chế $m = 1.0$, điện áp tải đạt $THD_{Uta} = 3.74%$ và dòng điện đạt $THD_{Ita} = 0.23%$. Các chỉ số này thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy định 5.0% của Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519 về độ méo sóng hài.

Kỹ thuật lập trình nhúng tự động bằng MATLAB và DSP TMS320F28335 mang lại lợi ích gì?
Phương pháp này kết hợp Simulink và phần mềm Code Composer Studio V3.3 để tự động dịch sơ đồ khối sang mã nguồn C rồi nạp thẳng vào vi xử lý DSP 32-bit. Giải pháp giúp loại bỏ nguy cơ lỗi cú pháp khi lập trình tay, rút ngắn 70% thời gian thử nghiệm và đảm bảo tính đồng nhất tuyệt đối giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Hệ thống phần cứng thực nghiệm của luận văn bao gồm những khối chức năng chính nào?
Phần cứng gồm ba khối chính: khối nguồn sử dụng 3 biến áp hạ áp 220V/150V, 3 cầu chỉnh lưu KBPC3510 và 6 tụ lọc $4700\mu F$; khối động lực 3 pha gồm 24 IGBT FGA25N120 gắn tản nhiệt; và khối điều khiển trung tâm sử dụng kit DSP TMS320F28335 kết hợp mạch đệm cách ly và mạch kích driver chuyên dụng.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa đóng ngắt cho bộ nghịch lưu đa bậc với những đóng góp cốt lõi:

• Xây dựng thành công thuật toán điều chế sóng mang CPWM kết hợp hàm offset bậc 3 tối ưu cho nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC.
• Giảm thiểu thành công 30% số lần chuyển mạch trên mỗi pha trong một chu kỳ, giúp nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ linh kiện công suất.
• Đạt độ méo hài tổng điện áp tải ở mức $THD = 3.74%$, đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn kỹ thuật điện lực Việt Nam.
• Thiết kế hoàn chỉnh phần cứng thực nghiệm 24 khóa IGBT FGA25N120 và làm chủ kỹ thuật lập trình nhúng thời gian thực trên DSP TMS320F28335.
• Đặt nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển các bộ biến đổi công suất cao phục vụ truyền động điện và tích hợp năng lượng tái tạo.

Trong giai đoạn 1 đến 2 năm tới, hướng phát triển trọng tâm là mở rộng thuật toán điều khiển thích nghi vòng kín và ứng dụng cấu trúc H-NPC trên các trạm phát điện mặt trời thương mại. Các tổ chức, viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối chuyển giao công nghệ để đưa giải pháp vào ứng dụng thực tiễn trong các dây chuyền công nghiệp.

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.