Luận văn thạc sĩ về bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu bộ nguồn ac dc 1 pha dạng cascade 5 bậc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Phan Tấn Phước
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• 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 Nguồn AC/DC 1 Pha Dạng Cascade 5 Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
• 1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.1.2. Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Mục đích của đề tài nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƢU 1 PHA
• 2.1. Tổng quan về bộ chỉnh lƣu
• 2.1.1. Các cấu trúc của bộ chỉnh lưu 1 pha
• 2.1.2. Các phương pháp điều khiển
• 2.1.2.1. Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu (còn gọi là dòng điện đặt)
• 2.1.2.2. Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma
• 2.1.2.3. Kỹ thuật điều chế sóng mang
• 2.2. Bộ chỉnh lƣu dạng cầu H (full-bridge)
• 2.2.1. Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc
• 2.2.2. Nguyên lý làm việc
• 2.2.3. Chiến lược điều khiển ở chế độ hai bậc
• 2.2.4. Chiến lược điều khiển ở chế độ ba bậc
• 2.3. Bộ chỉnh lƣu dạng cascade 5 bậc
• 2.3.1. Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc
• 2.3.2. Nguyên lý làm việc
• 2.3.3. Mô hình toán của bộ chỉnh lưu
• 2.3.4. Các tính toán cho bộ chỉnh lƣu
• 2.3.4.1. Tìm dòng điện nguồn
• 2.3.4.2. Giới hạn giá trị cuộn kháng lọc ngõ vào
• 2.3.5. Thiết kế bộ điều khiển cho bộ chỉnh lƣu
• 2.3.5.1. Phương pháp 1: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt
• 2.3.5.2. Phương pháp 2: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế sóng mang
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cầu H
• 3.1.1. Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu
• 3.1.2. Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 2 bậc
• 3.1.3. Phân tích thành phần hài
• 3.1.4. Kết quả mô phỏng của bộ chỉnh lưu 2 bậc
• 3.1.5. Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 3 bậc
• 3.2. Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc
• 3.2.1. Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu
• 3.2.2. Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt)
• 3.2.3. Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang)
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG PHẦN CỨNG, THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống chỉnh lƣu
• 4.1.1. Sơ đồ tổng quan mạch công suất
• 4.1.2. Sơ đồ triển khai mạch bảo vệ IGBT
• 4.1.3. Sơ đồ triển khai mạch kích xung
• 4.2. Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch kích xung
• 4.2.1. Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp
• 4.2.2. Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến điện áp
• 4.2.3. Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện
• 4.2.4. Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến dòng
• 4.2.5. Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP
• 4.2.6. Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 2 bậc
• 4.2.6.1. Mô hình nhúng và thiết lập thông số
• 4.2.6.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.7. Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 3 bậc
• 4.2.7.1. Mô hình nhúng và thiết lập thông số
• 4.2.7.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.8. Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc
• 4.2.8.1. Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt)
• 4.2.8.1.1. Mô hình và thiết lập thông số
• 4.2.8.1.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.8.2. Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang)
• 4.2.8.2.1. Mô hình và thiết lập thông số
• 4.2.8.2.2. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc

Bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc là một trong những giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển bộ nguồn này nhằm cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng. Cấu trúc cascade cho phép giảm điện áp trên mỗi linh kiện, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. Việc sử dụng công nghệ điều chế độ rộng xung (PWM) giúp điều khiển chính xác quá trình chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC. Đặc biệt, nghiên cứu này được thực hiện tại HCMUTE, nơi có nhiều điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc bao gồm nhiều cấp độ chuyển đổi, mỗi cấp độ đảm nhận một phần công việc trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng các linh kiện bán dẫn như IGBT và GTO, cho phép điều khiển dòng điện một cách linh hoạt. Hệ thống này không chỉ cải thiện hệ số công suất mà còn giảm thiểu các sóng hài, từ đó nâng cao chất lượng điện năng. Việc phân tích trạng thái làm việc của từng cấp độ trong cấu trúc cascade là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho toàn bộ hệ thống.

1.2. Ứng dụng và lợi ích

Bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Nó được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển động cơ, và các thiết bị điện tử tiêu dùng. Lợi ích lớn nhất của bộ nguồn này là khả năng cải thiện chất lượng điện năng, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu này không chỉ mang lại giá trị lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành điện tử.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để phát triển bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc. Phần mềm MATLAB được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra các trạng thái hoạt động của hệ thống. Kỹ thuật điều chế PWM được áp dụng để điều khiển quá trình chuyển đổi năng lượng. Việc thực nghiệm được thực hiện trên vi xử lý DSP TMS320F28335, cho phép lập trình nhúng và kiểm soát chính xác các thông số của bộ nguồn. Kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và chất lượng điện năng.

2.1. Mô phỏng và phân tích

Mô phỏng là bước quan trọng trong nghiên cứu này. Sử dụng MATLAB, các mô hình được xây dựng để phân tích hiệu suất của bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc. Các thông số như điện áp, dòng điện, và hệ số công suất được theo dõi và đánh giá. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ nguồn này có khả năng duy trì hệ số công suất gần bằng 1, đồng thời giảm thiểu các sóng hài. Điều này chứng tỏ rằng cấu trúc cascade 5 bậc là một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng điện năng cao.

2.2. Thực nghiệm và kết quả

Thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống thực tế với các linh kiện đã được chọn lọc kỹ lưỡng. Việc sử dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 cho phép điều khiển chính xác và linh hoạt. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc không chỉ hoạt động ổn định mà còn có khả năng điều chỉnh điện áp và dòng điện một cách hiệu quả. Các số liệu thu được từ thực nghiệm đã xác nhận những giả thuyết ban đầu và mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

III. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc tại HCMUTE đã đạt được những kết quả khả quan. Cấu trúc cascade không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao chất lượng điện năng. Việc áp dụng công nghệ điều chế PWM đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc điều khiển quá trình chuyển đổi năng lượng. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các linh kiện sử dụng trong bộ nguồn, cũng như nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các bộ nguồn AC DC với nhiều bậc hơn, nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất và chất lượng điện năng. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển và giám sát cũng sẽ là một hướng đi tiềm năng. Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo cũng cần được xem xét để mở rộng khả năng ứng dụng của bộ nguồn này.

3.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp điện. Việc cải thiện chất lượng điện năng và hiệu suất của các bộ nguồn sẽ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, từ đó góp phần bảo vệ môi trường. Điều này càng khẳng định tầm quan trọng của nghiên cứu bộ nguồn AC DC 1 pha dạng cascade 5 bậc trong bối cảnh hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghiệp hiện đại, việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện là một yêu cầu cấp thiết. Bộ nguồn AC/DC một pha dạng cascade 5 bậc là một giải pháp kỹ thuật điện tử công suất tiên tiến nhằm cải thiện chất lượng điện năng, giảm sóng hài và nâng cao hệ số công suất. Theo ước tính, các bộ chỉnh lưu truyền thống thường gặp phải các vấn đề như hệ số công suất thấp, sóng hài cao và điện áp trên linh kiện công suất lớn, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và độ bền của hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và kiểm nghiệm bộ nguồn AC/DC một pha dạng cascade 5 bậc sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm đạt được hệ số công suất gần bằng một, giảm méo dạng sóng hài và cân bằng điện áp trên các tụ điện DC.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng, thiết kế và thực nghiệm bộ chỉnh lưu một pha dạng cascade 5 bậc với tải điện trở, sử dụng phần mềm MATLAB và vi xử lý DSP TMS320F28335. Thời gian nghiên cứu kéo dài đến tháng 10 năm 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện chất lượng dòng điện nguồn, giảm điện áp trên linh kiện, từ đó tăng công suất và độ tin cậy của bộ nguồn, đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong truyền động và tự động hóa công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết bộ chỉnh lưu đa bậc (Multilevel Rectifier Theory): Bộ chỉnh lưu dạng cascade 5 bậc được phân tích với 5 mức điện áp đầu ra, giúp giảm điện áp trên mỗi linh kiện và cải thiện dạng sóng điện áp DC. Các trạng thái chuyển mạch được mô tả chi tiết, cho phép cân bằng điện áp trên các tụ điện DC.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation): Hai chiến lược điều khiển chính được áp dụng là kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu (hysteresis current control) và kỹ thuật điều chế sóng mang (carrier-based PWM). PWM giúp điều chỉnh điện áp đầu ra và dòng điện nguồn, giảm sóng hài và nâng cao hệ số công suất.

• Mô hình toán học và điều khiển vi xử lý: Phương trình vi phân mô tả động học của bộ chỉnh lưu được xây dựng dựa trên định luật Kirchhoff, kết hợp với bộ điều khiển PI và vòng khóa pha PLL để đồng bộ pha dòng điện với điện áp nguồn.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số công suất (Power Factor), tổng méo dạng sóng hài (THD), cân bằng điện áp tụ điện, và các trạng thái chuyển mạch của IGBT trong bộ chỉnh lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm thu được từ bộ chỉnh lưu một pha dạng cascade 5 bậc. Phần mềm MATLAB và Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình toán học, mô phỏng các trạng thái hoạt động và phân tích sóng hài. Vi xử lý DSP TMS320F28335 được chọn làm phần cứng điều khiển nhờ khả năng lập trình nhúng cao, hiệu suất xử lý tốt và tương thích với MATLAB.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng các chế độ hoạt động của bộ chỉnh lưu với tải R, phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện và sóng hài bằng FFT.

• Thiết kế và thi công mạch công suất, mạch cảm biến điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ IGBT.

• Lập trình điều khiển nhúng trên DSP với hai chiến lược PWM: điều chế dòng điện yêu cầu và điều chế sóng mang.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình thực nghiệm bộ chỉnh lưu một pha cascade 5 bậc, được thử nghiệm với các tải điện trở khác nhau trong phòng thí nghiệm. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2011 đến tháng 10/2013, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, mô phỏng, thi công phần cứng, lập trình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hệ số công suất gần bằng một: Qua mô phỏng và thực nghiệm, bộ chỉnh lưu cascade 5 bậc đạt hệ số công suất đầu vào xấp xỉ 1, cải thiện đáng kể so với bộ chỉnh lưu hai bậc truyền thống. Dòng điện nguồn có dạng sóng gần sin với tổng méo dạng sóng hài (THD) khoảng 5%, thấp hơn nhiều so với các bộ chỉnh lưu không điều khiển.

2. Giảm điện áp trên linh kiện công suất: Điện áp trên mỗi IGBT giảm xuống còn khoảng một phần năm so với bộ chỉnh lưu hai bậc, nhờ cấu trúc đa bậc. Điều này giúp tăng tuổi thọ linh kiện và giảm tổn thất công suất.

3. Cân bằng điện áp trên tụ DC: Thuật toán điều khiển PWM đa bậc với các trạng thái chuyển mạch dư thừa cho phép cân bằng điện áp giữa hai tụ điện DC hiệu quả, ngay cả khi tải không cân bằng. Điện áp trên các tụ được duy trì ổn định trong quá trình vận hành.

4. Chất lượng dòng điện nguồn được cải thiện: Phân tích FFT cho thấy sóng hài bậc cao giảm đáng kể, giúp nâng cao chất lượng điện năng và giảm ảnh hưởng xấu đến hệ thống điện lưới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực là do cấu trúc cascade 5 bậc cho phép tạo ra điện áp đầu ra đa mức, làm giảm điện áp đỉnh trên mỗi linh kiện và giảm độ nhấp nhô điện áp (dv/dt). Việc áp dụng kỹ thuật điều chế PWM, đặc biệt là điều chế theo dòng điện yêu cầu và sóng mang, giúp dòng điện nguồn bám sát dòng điện tham chiếu cùng pha với điện áp nguồn, từ đó nâng cao hệ số công suất.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được tương đồng hoặc vượt trội về mặt hệ số công suất và THD, đồng thời giải quyết hiệu quả vấn đề cân bằng điện áp tụ điện, vốn là thách thức lớn trong các bộ chỉnh lưu đa bậc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện, biểu đồ FFT sóng hài, cũng như bảng số liệu trạng thái chuyển mạch và điện áp tụ điện.

Ý nghĩa của kết quả là mở rộng khả năng ứng dụng bộ nguồn AC/DC cascade 5 bậc trong các hệ thống truyền động công nghiệp, tự động hóa và các thiết bị điện tử công suất yêu cầu chất lượng điện năng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng thực tế: Áp dụng bộ nguồn AC/DC cascade 5 bậc trong các hệ thống truyền động công nghiệp để nâng cao hiệu suất và độ ổn định điện áp, giảm tổn thất năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất và nhà máy công nghiệp.

2. Nâng cấp phần mềm điều khiển: Phát triển thêm các thuật toán điều khiển PWM tối ưu hơn, như điều chế vectơ không gian hoặc điều khiển thích nghi, nhằm giảm THD xuống dưới 3% và tăng khả năng thích ứng với tải không cân bằng. Thời gian nghiên cứu 6-9 tháng, do các trung tâm nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

3. Tích hợp hệ thống giám sát và bảo vệ: Thiết kế hệ thống giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ linh kiện để nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị. Thời gian triển khai 6 tháng, do các công ty thiết bị điện tử công suất đảm nhiệm.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế, vận hành và bảo trì bộ nguồn AC/DC cascade 5 bậc. Thời gian đào tạo 3-6 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống điện tử công suất: Nắm bắt kiến thức về bộ chỉnh lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và ứng dụng thực tế trong thiết kế bộ nguồn công nghiệp.

2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, điện công nghiệp: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp điều khiển bộ nguồn AC/DC.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và hiệu suất bộ nguồn, giảm chi phí bảo trì.

4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng: Tham khảo để phát triển các giải pháp chuyển đổi năng lượng hiệu quả, đáp ứng yêu cầu về chất lượng điện năng và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nguồn AC/DC cascade 5 bậc có ưu điểm gì so với bộ chỉnh lưu hai bậc?
   Bộ nguồn cascade 5 bậc giảm điện áp đỉnh trên linh kiện, cải thiện dạng sóng điện áp DC, giảm sóng hài và nâng cao hệ số công suất, từ đó tăng hiệu suất và độ bền thiết bị.

2. Kỹ thuật điều chế PWM được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Hai kỹ thuật chính là điều chế theo dòng điện yêu cầu và điều chế sóng mang, giúp điều khiển dòng điện nguồn bám sát dòng điện tham chiếu cùng pha với điện áp nguồn, giảm méo dạng sóng và cân bằng điện áp tụ điện.

3. Phần mềm MATLAB và vi xử lý DSP TMS320F28335 đóng vai trò gì?
   MATLAB dùng để mô phỏng và xây dựng mô hình toán học, trong khi DSP TMS320F28335 được sử dụng để lập trình điều khiển nhúng, thực hiện thuật toán PWM trên phần cứng thực tế.

4. Làm thế nào để cân bằng điện áp trên các tụ điện DC trong bộ chỉnh lưu?
   Thông qua các trạng thái chuyển mạch dư thừa và thuật toán điều khiển PWM đa bậc, điện áp trên các tụ được điều chỉnh và cân bằng hiệu quả ngay cả khi tải không cân bằng.

5. Ứng dụng thực tế của bộ nguồn AC/DC cascade 5 bậc là gì?
   Bộ nguồn này phù hợp cho các hệ thống truyền động công nghiệp, thiết bị tự động hóa, lưu trữ năng lượng và các ứng dụng yêu cầu chất lượng điện năng cao, ổn định và hiệu suất tốt.

Kết luận

• Bộ nguồn AC/DC một pha dạng cascade 5 bậc sử dụng kỹ thuật điều chế PWM đạt được hệ số công suất gần bằng một và giảm đáng kể sóng hài dòng điện (THD khoảng 5%).
• Cấu trúc đa bậc giúp giảm điện áp đỉnh trên linh kiện công suất, tăng tuổi thọ và hiệu suất hệ thống.
• Thuật toán điều khiển cân bằng điện áp trên các tụ DC hiệu quả, đảm bảo vận hành ổn định ngay cả khi tải không cân bằng.
• Mô hình toán học và phần mềm MATLAB kết hợp với vi xử lý DSP TMS320F28335 cho phép mô phỏng và thực nghiệm thành công bộ chỉnh lưu.
• Đề xuất phát triển thêm các thuật toán điều khiển tối ưu và ứng dụng thực tế trong công nghiệp để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của bộ nguồn.

Tiếp theo, nghiên cứu có thể mở rộng sang các cấu trúc đa bậc cao hơn hoặc tích hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng thông minh. Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng kết quả này để cải tiến thiết bị và hệ thống điện công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN TẤN PHƯỚC NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN AC/DC 1 PHA DẠNG CASCADE 5 BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 605270 S KC 0 0 4 0 8 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN TẤN PHƯỚC NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN AC/DC 1 PHA DẠNG CASCADE 5 BẬC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Phan Tấn Phƣớc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/10/1978 Nơi sinh: Long An Quê quán: Châu Thành - Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Ấp Cây Khô, Xã Hồ Thị Kỷ, Huyện Thới Bình, Tỉnh Cà Mau Điện thoại cơ quan: 0780 3838043 Di động: [phone] Fax: Email:phuoctp14101978@gmail.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ: 09/1997 đến 04/2002 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh. Tên môn thi tốt nghiệp: PLC; Kỹ thuật VCR; Quản lý dự án. Ngày và nơi thi tốt nghiệp: tháng 4 năm 2002 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 8/2002 – Công ty TNHH Cao Phong Nhân viên kỹ thuật 6/2005 9/2005 – Trường Trung cấp Kinh tế - kỹ Cán bộ phòng đào tạo 9/2007 thuật Cà Mau 9/2007 – Trường Trung cấp Kinh tế - kỹ Tổ trưởng Tổ Kỹ Thuật 9/2010 thuật Cà Mau 9/2010 – Trường Trung cấp Kinh tế - kỹ Phó Trưởng phòng Đào đến nay thuật Cà Mau tạo i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 9 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Tấn Phƣớc ii Luan van LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Trường Trung cấp Kinh tế - Kỹ thuật Cà Mau, UBND tỉnh Cà Mau đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đi học. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi. Xin cảm ơn các anh em học viên lớp KĐT2011A ngành Kỹ thuật điện tử cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm B107 trường Đại học Bách Khoa TP.

Hồ Chí Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. iii Luan van TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển bộ nguồn AC/DC 1 pha dạng cascade 5 bậc. Kỹ thuật điều chế PWM sử dụng được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra các trạng thái hoạt động, được thực hiện đối với tải R.

Với cấu trúc cascade 5 bậc này sẽ làm cho hệ số công suất gần bằng một, chất lượng dòng điện nguồn được cải thiện, điện áp trên mỗi linh kiện giảm, tăng công suất cho mạch. Việc điều khiển chuyển đổi năng lượng AC/DC và cân bằng điện áp trên 2 tụ DC khi tải không cân được đưa vào nghiên cứu trong đề tài. Giải thuật điều khiển được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB kết hợp chương trình CCS 3.0 biên dịch và nạp cho vi xử lý. ABSTRACT This thesis presents PWM method to control single phase AC/DC Power supply (5 level cascade structure).

PWM method used in this thesis is supported by MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load. Using 5 level cascade makes the Power factor reach the unit, the output current quality is improved, element voltages is lower and the power of system is larger. The controlling of AC/DC inverting and balance the voltages of DC capacitors when the loads unbalance was mentioned in this thesis. The control algorithm was implemented using DSP TMS320F28335 microprocessor with embedded code generator technique from MATLAB, compile to C language by CCS 3.0 and download to microprocessor.

iv Luan van MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học. i Lời cam đoan .ii Lời cảm tạ. iii Tóm tắt luận văn. iv Mục lục.

v Danh sách các chữ viết tắt. viii Danh sách các hình. ix Danh sách các bảng. xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .2 Mục đích của đề tài nghiên cứu .3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu.

5 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƢU 1 PHA 2.1 Tổng quan về bộ chỉnh lƣu .3 Các cấu trúc của bộ chỉnh lưu 1 pha .4 Các phương pháp điều khiển .1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu (còn gọi là dòng điện đặt) .2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma .3 Kỹ thuật điều chế sóng mang .2 Bộ chỉnh lƣu dạng cầu H (full-bridge) .1 Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc .2 Nguyên lý làm việc .3 Chiến lược điều khiển ở chế độ hai bậc .4 Chiến lược điều khiển ở chế độ ba bậc .3 Bộ chỉnh lƣu dạng cascade 5 bậc .1 Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc .2 Nguyên lý làm việc .3 Mô hình toán của bộ chỉnh lưu .4 Các tính toán cho bộ chỉnh lƣu .1 Tìm dòng điện nguồn .2 Giới hạn giá trị cuộn kháng lọc ngõ vào .5 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ chỉnh lƣu .1 Phương pháp 1: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt 28 2.2 Phương pháp 2: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế sóng mang. 34 Chƣơng 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cầu H .1 Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu .2 Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 2 bậc .3 Phân tích thành phần hài .4 Kết quả mô phỏng của bộ chỉnh lưu 2 bậc .5 Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 3 bậc .2 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc .1 Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu .2 Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt) .3 Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang). 60 Chƣơng 4: THI CÔNG PHẦN CỨNG, THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống chỉnh lƣu .1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất .2 Sơ đồ triển khai mạch bảo vệ IGBT.3 Sơ đồ triển khai mạch kích xung. 63 vi Luan van 4.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch kích xung .4 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp .2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến điện áp .5 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện .2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến dòng .6 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP .2 Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 2 bậc .1 Mô hình nhúng và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .3 Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 3 bậc .1 Mô hình nhúng và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .4 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc .1 Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt) .1 Mô hình và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .2 Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang) .1 Mô hình và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.2 Hướng phát triển. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO BÀI BÁO vii Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current ADC Analog-to-Digital Converter DSP Digital Signal Processor I/O Input/Output IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor GTO Gate-Turn-Off thyristor IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor KCL Kirchhoff's Current Law KVL Kirchhoff's Voltage Law NPC Neutral Point Clamped PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation SPWM Sine Wave Pulse Width Modulation THD Total Harmonic Distortion PFC Power-Factor Correction AFE Active Front End NPC Neutral Point Clamped CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation DM Delta Modulation PLL Phase-Locked Loop IEC International Electrotechnical Commission PD Phase Dispostion APOD Alternative Phase Opposition Dispostion POD Phase Opposition Dispostion viii Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1 Phân loại tổng quan của bộ chỉnh lưu .2 Cấu trúc H-Bridge sử dụng điốt .3 Cấu trúc H-Bridge sử dụng IGBT .4 Cấu trúc chỉnh lưu 3 bậc .5 Cấu trúc chỉnh lưu dạng NPC 3 bậc .6 Cấu trúc chỉnh lưu dạng cascade 3 bậc .7 Đồ thị điều chế xung kích .8 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế dòng điện yêu cầu .9 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện yêu cầu .10 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma .11 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế Delta-sigma .12 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế CPWM .13 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế CPWM .14 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế SPWM .15 Sóng mang dạng PD .16 Sóng mang dạng APOD .17 Sóng mang dạng POD .18 Cấu trúc bộ chỉnh lưu dạng cầu H .19 Tổ hợp các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu dạng cầu H .20 Biểu đồ pha của bộ chỉnh lưu dạng cầu H .21 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu dạng cầu H ở chế độ 2 bậc .22 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu dạng cầu H ở chế độ 3 bậc .23 Cấu trúc của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc.24 Đơn giản hóa cấu trúc của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc .25 Mẫu điện áp 5 bậc ở ngõ vào phần công suất .26 Các chế độ hoạt động của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc. 23 Phƣơng pháp 1: Chiến lƣợc điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt Hình 2.27 Sơ đồ khối của bộ điều khiển .28 Chiến lược của bộ chỉnh lưu .