CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước đã nghiên cứu 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Những thập niên 70 – 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp. Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho những phụ tải một, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp…Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng tần số được mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng được cải tiến dần. Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó là khâu không thể thiếu được trong các dây chuyền công nghiệp. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động.
Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền động ngày càng phức tạp trên. Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần. Biến tần tĩnh điện được sử dụng trong một số ứng dụng như: Bộ biến đổi tần số cho động cơ, bộ lưu điện (UPS), nguồn cấp điện chung và cũng cho bộ cấp năng lượng trên mặt đất (GPU) cho máy bay. Một bộ điện mặt đất cung cấp cho máy bay với nguồn năng lượng bên ngoài trong thời gian dừng tại sân bay.
Hiện nay chúng được ứng dụng trên khắp thế giới chủ yếu là do qui định sân bay đòi hỏi phải có sự Tổng quan 1 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ chuyển đổi sang điện để giảm tiếng ồn và ô nhiễm không khí từ các động cơ phản lực. Việc nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn.
Đối tượng chính trong các nghiên cứu này, ở thời kỳ đầu, thường là nghiên cứu nghịch lưu theo phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (Carriers Pulse Width Modulation – CPWM). Chỉ đến những năm cuối 1980 các nghiên cứu mới đã thu được nhiều thành quả nhất là nghiên cứu theo phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng vector không gian (Space Vector Pulse Width Modulation – SVPWM).2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Năm 2008, nhóm nghiên cứu Roberto González, Eugenio Gubía, Jesús López, Luis Marroyo là thành viên của IEEE đã mô phỏng và thực nghiệm thành công bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC sử dụng trong các hệ thống PV không dùng biến áp. Cấu trúc này không làm thay đổi tổng điện áp cách chung, hiệu suất tối đa đạt 98,16%. Năm 2010, nhóm nghiên cứu của Federal University of Pernambuco - Recife, PE – Brazil đã mô phỏng và thực nghiệm thành công bộ nghịch lưu một pha và ba pha ba bậc NPC sử dụng hệ thống điều khiển có chức năng lọc tích cực dùng lý thuyết p – q.
Điểm trung tính của bộ nghịch lưu NPC làm giảm dòng rò mà không cần bổ sung thêm phần cứng. Năm 2007, nhóm nghiên cứu T. Borup của Institute of Energy Technology Aalborg University Pontoppidanstraede 101 9220 Aalborg DENMARK đã mô phỏng và thực nghiệm thành công bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC với dòng điện rò rất nhỏ dưới 30 mA. Trong khi đó nhóm phát triển kỹ thuật SVPWM được biết bởi các công trình liên quan tiêu biểu của F.Meynard – France, Bin Wu – Canada… Tổng quan 2 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS.
TS Nguyễn Văn Nhờ Giữa những năm 90 của thế kỷ trước, một hướng nghiên cứu mới đã hình thành là nghiên cứu về quan hệ giữa CPWM và SVPWM. Tuy nhiên, việc xác định tương quan đầy đủ giữa hai hình thức điều chế này gặp nhiều khó khăn.Wang (GE – USA) xác định được một số tương quan (chưa hoàn chỉnh) cho nghịch lưu ba bậc. Năm 2001 và 2002, các giải thích của X.He (China) cho nghịch lưu ba bậc dựa vào phương pháp của Blasko cũng chỉ đúng cho một số trường hợp. Năm 2005, tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đã đăng tải nghiên cứu của Nguyen Van Nho và Myung – Joong Youn, trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giải tích hóa tương quan SVPWM và CPWM.
Kết quả nghiên cứu trên đã giúp thống nhất hai trường phái nghiên cứu SVPWM và CPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nhịch lưu đa bậc.2 Mục đích của đề tài Mục đích chính của đề tài là thiết kế và thi công bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC không dùng biến áp hiệu quả cao hơn, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, dòng điện rò nhỏ hơn với một mức giá thấp hơn so với các bộ nghịch lưu trong trường hợp sử dụng máy biến áp.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.1 Thiết kế phần cứng cho bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC - Dữ liệu đầu vào, dữ liệu và yêu cầu ngõ ra. - Sơ đồ hệ thống, nguyên lý hoạt động, định nghĩa và giải thích chức năng các khối. - Thiết kế mạch công suất: Máy biến áp, mạch chỉnh lưu, mạch nghịch lưu, chọn linh kiện bán dẫn, mạch bảo vệ IGBT, tụ lọc. - Thiết kế nguồn cho Card điều khiển, mạch lái IGBT.
Tổng quan 3 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ 1.2 Thành lập mô hình và mô phỏng cho bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC trên Matlab Thực hiện mô phỏng trong các chế độ hoạt động khác nhau để đánh giá chất lượng của điện áp ngõ ra.3 Lập trình nhúng DSP F28335 bằng Matlab/ Simulink Xây dựng mô hình thực nghiệm và lập trình vi xử lý tín hiệu số DSP F28335 bằng phương pháp nhúng từ Matlab / Simulink.4 Đánh giá và báo cáo các kết quả thực nghiệm 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM, lập giải thuật cho các phương pháp, mô phỏng đánh giá từng phương pháp, chọn phương pháp điều chế tối ưu nhất. - Ứng dụng kỹ thuật điều chế xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm MATLAB cho bộ nghịch lưu áp một pha ba bậc NPC. - Thực nghiệm lập trình nhúng vi xử lý DSP F28335, thiết kế mô hình và đo đạc kết quả, so sánh với kết quả mô phỏng.
Tổng quan 4 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA BA BẬC NPC 2.1 Tổng quan về nghịch lưu đa bậc 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu có nguồn cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng.
Bộ nghịch lưu 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 được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều được lọc phẳng…Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng như 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 lưu 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 lưu áp Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau: - Theo số pha điện áp đầu ra: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha.
CSLT về BNLA 1P 3B NPC 5 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ - Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): hai bậc (two level), đa bậc (multilevel, từ ba bậc trở lên). - Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dạng Cascade (Cascade inverter), dạng Diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter), hoặc dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter),. - Theo phương pháp điều khiển Phương pháp điều rộng.
Phương pháp điều biên. Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin (Sin PWM). Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin cải biến (Modifield SPWM). Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation, hoặc Space vector PWM).
Phương pháp Discontinuous PWM.2 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc Có ba dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc - Dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter). - Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter). - Dạng ghép tầng Cascade (Cascade Inverter).1 Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped) Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được 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 pha – nguồn DC (phase to pole votage) có thể đạt được n 1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là n 1 bậc. CSLT về BNLA 1P 3B NPC 6 HVTH: Huỳnh Thị Tú Trinh Luan van Thực nghiệm BNLA 1P 3B NPC GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Nhờ S1 D1 Vdc/2 S2 Vdc L S3 R Vdc/2 ULN D2 L S4 N Hình 2. 1: Bộ nghịch lưu áp dạng NPC ba bậc Bộ nghịch lưu 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.