Luận văn thạc sĩ HCMUTE về nghiên cứu điều khiển biến tầng 3 pha đa bậc

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu điều khiển biến tầng 3 pha đa bậc dạng nối tầng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Ngô Ngọc Nam
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Biến Tần 3 Pha Đa Bậc Dạng Nối Tầng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Giới thiệu về nghịch lưu
• 1.5.2. Phân loại nghịch lưu áp
• 1.5.3. Các dạng cấu trúc cơ bản của nghịch lưu áp đa bậc
• 1.6. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: NGHỊCH LƯU ÁP ĐA BẬC CASCADE
• 2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu
• 2.2. Nghịch lưu áp đa bậc cascade
• 2.2.1. Nghịch lưu cascade 5 bậc
• 2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cho nghịch lưu đa bậc cascade
• 2.3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin
• 2.3.2. Kỹ thuật điều chế sin PWM cho nghịch lưu đa bậc cascade
• 2.3.3. Phân tích cách tạo xung kích
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu áp đa bậc cascade
• 3.1.1. Thông số mô phỏng
• 3.1.2. Kết quả mô phỏng
• 3.2. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Tính toán và thi công mô hình thực nghiệm
• 4.1.1. Sơ đồ tổng quát của mô hình thực nghiệm
• 4.1.2. Chọn thông số tải
• 4.1.3. Tính toán khối nghịch lưu
• 4.1.4. Chọn card điều khiển
• 4.1.5. Tính toán và thiết kế module mạch lái
• 4.1.6. Thiết kế board mạch nguồn chỉnh lưu
• 4.1.7. Kiểm tra và hoàn thiện phần cứng
• 4.2. Xây dựng giải thuật nhúng
• 4.3. Kết quả thực nghiệm
• 4.4. Kết luận về thực nghiệm
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển biến tần 3 pha

Nghiên cứu về biến tần 3 pha là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện. Biến tần 3 pha đa bậc có khả năng điều khiển động cơ với hiệu suất cao và độ tin cậy lớn. Luận văn này tập trung vào việc phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động của biến tần đa bậc. Cụ thể, các loại biến tần như biến tần cầu H và biến tần cascade được nghiên cứu để chỉ ra ưu nhược điểm của từng loại. Việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động trong các hệ thống này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Theo nghiên cứu, biến tần đa bậc có thể cải thiện chất lượng điện áp đầu ra và giảm thiểu sóng hài, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.

1.1. Lý do chọn đề tài

Lý do chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu ngày càng cao trong việc ứng dụng công nghệ biến tần trong các hệ thống công nghiệp. Điện tử công suất đang trở thành một phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển biến tần 3 pha không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Đặc biệt, biến tần đa bậc cho phép điều khiển chính xác hơn, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe trong công nghiệp. Do đó, nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực kỹ thuật điện.

II. Nghiên cứu về nghịch lưu áp đa bậc

Nghịch lưu áp đa bậc là một trong những thành phần chính trong hệ thống biến tần 3 pha. Luận văn này đi sâu vào việc phân tích cấu trúc của nghịch lưu đa bậc cascade. Cấu trúc này cho phép tạo ra nhiều bậc điện áp từ nguồn DC, giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Các phương pháp điều chế như PWM (Pulse Width Modulation) được áp dụng để điều khiển điện áp đầu ra một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng nghịch lưu cascade có thể giảm thiểu sóng hài và nâng cao hiệu suất của hệ thống. Hơn nữa, việc mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy các kết quả lý thuyết có thể được xác thực qua thực nghiệm.

2.1. Cấu trúc bộ nghịch lưu

Cấu trúc của bộ nghịch lưu đa bậc được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất. Các thành phần chính bao gồm các diode, transistor và các linh kiện điện tử khác. Nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc cascade là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp. Việc phân tích các thông số như điện áp đầu ra, tần số và sóng hài cho thấy rằng nghịch lưu đa bậc có thể hoạt động hiệu quả hơn so với các loại nghịch lưu truyền thống. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành.

III. Mô phỏng và thực nghiệm

Mô phỏng là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Sử dụng phần mềm Matlab R2016a, mô hình nghịch lưu cascade 5 bậc được xây dựng để kiểm chứng các lý thuyết đã nghiên cứu. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng điện áp đầu ra đạt được là ổn định và chất lượng tốt. Thực nghiệm được tiến hành để đo đạc các thông số thực tế của mô hình vật lý. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng với kết quả mô phỏng, chứng minh tính khả thi của các phương pháp điều khiển đã đề xuất. Việc này không chỉ khẳng định tính chính xác của lý thuyết mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp.

3.1. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng biến tần 3 pha hoạt động hiệu quả trong việc điều khiển động cơ. Các thông số như điện áp, dòng điện và sóng hài được đo đạc và phân tích. Kết quả cho thấy rằng nghịch lưu cascade không chỉ cải thiện chất lượng điện áp mà còn giảm thiểu sóng hài, từ đó nâng cao hiệu suất của động cơ. Việc này chứng minh rằng nghiên cứu có thể áp dụng vào thực tiễn, giúp các nhà máy, xí nghiệp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật điện tử chuyên nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn trong bộ biến đổi nguồn năng lượng điện. Theo ước tính, các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, thời gian xử lý nhanh và độ tin cậy cao. Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, khâu truyền động động cơ đóng vai trò quan trọng, đòi hỏi các giải pháp điều khiển chính xác về tốc độ, chiều quay và hãm. Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng (cascade multilevel inverter) là thành phần chủ yếu trong hệ thống điều khiển động cơ, giúp nâng cao chất lượng điện áp, giảm tổn hao và cải thiện hiệu suất hoạt động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm bộ biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng, áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung sin (sin PWM) để điều khiển tải động cơ 3 pha không đồng bộ. Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc, so sánh ưu nhược điểm với các dạng nghịch lưu khác, đồng thời kiểm chứng lý thuyết qua mô hình mô phỏng trên Matlab R2016a và mô hình vật lý công suất 1,5 kW. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp điều khiển biến tần hiệu quả, giảm sóng hài tổng (THD) xuống còn 36,23% so với 43,11% của nghịch lưu 3 bậc, đồng thời giảm điện áp common-mode và tăng chất lượng điện áp tải. Kết quả này góp phần nâng cao hiệu suất truyền động, tiết kiệm năng lượng và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp sản xuất.

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 nghịch lưu áp đa bậc (Multilevel Inverter Theory): Bao gồm ba dạng cấu trúc chính là diode kẹp (NPC), tụ điện thay đổi (Flying Capacitor) và dạng nối tầng (Cascade). Mỗi dạng có ưu nhược điểm riêng, trong đó cascade inverter sử dụng ít linh kiện nhất và dễ dàng mở rộng số bậc.

• Mô hình nghịch lưu cascade 5 bậc: Gồm hai bộ nghịch lưu cầu H ghép nối tiếp trên mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp (-2V, -V, 0, +V, +2V). Số khóa công suất trên mỗi pha là 4, giảm tần số đóng ngắt và điện áp đặt lên linh kiện, giúp tăng độ bền và giảm tổn hao.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM): Sử dụng sóng mang dạng tam giác tần số cao so sánh với sóng điều khiển dạng sin để tạo xung kích điều khiển các khóa công suất. Các sóng mang được bố trí theo các dạng như APOD (Alternative Phase Opposition Disposition), PD (Phase Disposition), POD (Phase Opposition Disposition) nhằm giảm sóng hài và điện áp common-mode.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp common-mode (Un0), tổng méo dạng sóng hài (THD), tỉ số điều chế biên độ (ma), tỉ số điều chế tần số (mf), trạng thái đóng ngắt khóa công suất, và các dạng sóng mang.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý và mô phỏng Matlab R2016a.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên Matlab R2016a, lập trình điều khiển trên card TMS320F28335 của Texas Instruments, và thực nghiệm đo đạc bằng máy đo sóng Tektronix TDS 2024C.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm công suất 1,5 kW được thiết kế và thi công với các linh kiện IGBT, diode, tụ điện phù hợp, đảm bảo tính đại diện cho ứng dụng thực tế trong điều khiển động cơ 3 pha.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 5/2015 đến tháng 4/2017, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển và thực nghiệm kiểm chứng.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ưu điểm của nghịch lưu cascade 5 bậc: So với nghịch lưu 3 bậc, giá trị THD điện áp tải giảm từ 43,11% xuống còn 36,23%, điện áp common-mode giảm từ 28,9 V xuống 13,1 V, đồng thời dòng điện tải có THD giảm từ 5,01% xuống 0,52%. Điều này chứng tỏ chất lượng điện áp và dòng điện được cải thiện rõ rệt khi tăng số bậc nghịch lưu.

2. Hiệu quả của phương pháp điều chế sin PWM: Việc sử dụng 4 sóng mang tam giác với biên độ đỉnh từ 0 đến 4 V cho nghịch lưu 5 bậc giúp tạo ra dạng sóng điện áp đầu ra gần với dạng sin chuẩn, giảm sóng hài bậc cao và điện áp common-mode. Tỉ số điều chế biên độ (ma) ≤ 1 đảm bảo tuyến tính giữa biên độ điện áp ra và tín hiệu điều khiển.

3. Mô hình mô phỏng và thực nghiệm khớp nhau: Kết quả mô phỏng trên Matlab R2016a và đo đạc thực nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy sự tương đồng cao về dạng sóng điện áp pha tải, điện áp common-mode và các thành phần sóng hài. Ví dụ, điện áp pha tải RMS trong mô phỏng và thực nghiệm có sai số nhỏ, chứng tỏ tính chính xác của mô hình và giải thuật điều khiển.

4. Giảm tần số đóng ngắt và tổn hao linh kiện: Với cấu trúc cascade, tần số đóng ngắt trong mỗi module giảm đi n lần (n là số module), giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện. Điện áp đặt lên mỗi linh kiện giảm còn khoảng 0,57 lần so với nghịch lưu 2 bậc truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm THD và điện áp common-mode là do nghịch lưu cascade 5 bậc tạo ra nhiều mức điện áp hơn, giúp sóng điện áp đầu ra gần với dạng sin chuẩn hơn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển nghịch lưu đa bậc nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn hao.

Việc áp dụng phương pháp điều chế sin PWM với các dạng sóng mang bố trí hợp lý (APOD, PD, POD) giúp tối ưu hóa sóng hài và điện áp common-mode, từ đó giảm nhiễu và tăng hiệu suất truyền động. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp trong thực tế công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp pha tải, phổ FFT phân tích sóng hài, bảng so sánh giá trị THD và điện áp common-mode giữa các phương pháp và số bậc nghịch lưu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng nghịch lưu cascade 5 bậc trong điều khiển động cơ công nghiệp: Tăng cường sử dụng biến tần đa bậc dạng nối tầng để giảm sóng hài, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà máy, xí nghiệp sản xuất.

2. Phát triển phần mềm điều khiển sin PWM tối ưu: Nâng cao thuật toán điều chế sóng mang, áp dụng các dạng sóng mang khác nhau để giảm tiếng ồn và tổn hao. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

3. Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm công suất lớn hơn: Mở rộng công suất mô hình từ 1,5 kW lên các mức công suất công nghiệp để kiểm chứng tính ổn định và hiệu quả. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học kỹ thuật.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế và điều khiển biến tần đa bậc cho kỹ sư và sinh viên, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Thời gian: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Nắm vững kiến thức về nghịch lưu đa bậc, phương pháp điều khiển sin PWM và ứng dụng thực tế trong điều khiển động cơ.

2. Kỹ sư thiết kế biến tần và hệ thống truyền động: Áp dụng các giải pháp điều khiển biến tần cascade 5 bậc để nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao thiết bị.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Tham khảo mô hình mô phỏng, phương pháp điều khiển và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn.

4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện công nghiệp: Ứng dụng công nghệ biến tần đa bậc để cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng là gì?
   Là bộ nghịch lưu điện tử công suất gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu H nối tiếp, tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giúp cải thiện chất lượng điện áp và giảm sóng hài trong điều khiển động cơ.

2. Ưu điểm của nghịch lưu cascade so với các dạng khác?
   Sử dụng ít linh kiện nhất, dễ dàng mở rộng số bậc, giảm tần số đóng ngắt và điện áp đặt lên linh kiện, từ đó giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị.

3. Phương pháp điều chế sin PWM hoạt động như thế nào?
   So sánh sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác tần số cao để tạo xung điều khiển khóa công suất, điều chỉnh biên độ và tần số điện áp đầu ra.

4. Làm thế nào để giảm sóng hài trong biến tần?
   Tăng số bậc nghịch lưu, sử dụng các dạng sóng mang bố trí hợp lý (APOD, PD, POD), và áp dụng phương pháp điều chế sin PWM giúp giảm sóng hài bậc cao.

5. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với mô phỏng không?
   Kết quả thực nghiệm trên mô hình công suất 1,5 kW tương đồng cao với mô phỏng Matlab, chứng tỏ tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế của giải pháp.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công cấu trúc và phương pháp điều khiển biến tần 3 pha đa bậc dạng nối tầng, tập trung vào nghịch lưu cascade 5 bậc.
• Phương pháp điều chế sin PWM được áp dụng hiệu quả, giảm đáng kể sóng hài tổng và điện áp common-mode so với nghịch lưu 3 bậc.
• Mô hình mô phỏng Matlab R2016a và mô hình thực nghiệm công suất 1,5 kW cho kết quả khớp nhau, xác nhận tính khả thi của giải pháp.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu suất truyền động động cơ, giảm tổn hao và tăng độ bền thiết bị trong công nghiệp.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu công suất lớn hơn, phát triển thuật toán điều khiển và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và cải tiến giải pháp này trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Điện tử công suất là một ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi để khống chế biến đổi nguồn năng lượng điện. Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ các ưu điểm nổi bật như: kích thước gọn nhẹ, thời gian xử lý nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao. Khoa học kỹ thuật ngày một phát triển, máy móc ngày càng phát triển hơn, hiện đại hơn, tiên tiến hơn và đáp ứng được nhiều yêu cầu khắt khe hơn của con người. Nhà máy, xí nghiệp sản xuất ngày càng nhiều, áp dụng nhiều công nghệ cao vào hoạt động sản xuất.

Một phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp đó là khâu truyền động động cơ. Bằng cách ứng dụng thành quả của ngành công nghệ bán dẫn và điện tử công suất vào khâu điều khiển động cơ thì nó đã có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển khắt khe như là tính chính xác trong điều khiển tốc độ, chiều quay, hãm… Không những thế nó còn giúp giảm bớt các thành phần khí cụ điện cồng kềnh như contactor, rơle… Một phần không thể không nhắc đến đó là các bộ nghịch lưu đa bậc, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng… Mạch nghịch lưu áp đa bậc sinh ra với nhiều ưu điểm như công suất lớn hơn, chất lượng điện áp tốt hơn, bộ lọc ngõ ra nhỏ hơn so với nghịch lưu áp hai bậc truyền thống, và hiện nay cũng được sử dụng ngày một rộng rãi hơn trong thực tiễn. Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 3 PHA ĐA BẬC DẠNG NỐI TẦNG”. Nghiên cứu này có thể đáp ứng được thực tiễn nghiên cứu cho sinh viên trong các ngôi trường và sử dụng thực tiễn ngoài công nghiệp.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Lịch sử về nghịch đa bậc bắt đầu từ giữa những năm 1970 khi sáng chế đầu tiên mô tả về một nghịch lưu có khả năng tạo ra nhiều bậc điện áp từ các nguồn DC khác HVTH: NGÔ NGỌC NAM 1 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ nhau bởi Baker và Bannister (1975).

Một bộ biến tần 5 bậc dạng kết nối diode kẹp được đề xuất bởi Baker (1980) khác với dạng topology đã được trình diễn trước đó. Trong những năm 1990, biến tần kiểu tụ điện flying được giới thiệu và một số bằng sáng chế được công bố gồm có Meynard và Foch (1992), Hammond (1997), các loại này sử dụng cho biến tần ba bậc và 5 bậc. Harmmond đã thử nghiệm một phương pháp thực tiễn về biến tần dạng cascade cầu H (1997). Từ đó đến nay cũng có nhiều loại cấu trúc khác ra đời được chia thành 2 dạng là đơn nguồn DC và đa nguồn DC.

Xiaoming Yuan (2000) và công sự đã đề xuất một dạng nghịch lưu diode kẹp mới, trong loại này hàng loại các diode kẹp được lược bỏ. Yuan và Barbi (2002) đã giới thiệu một loại nghịch lưu diode kẹp điểm trung tính có khả năng tạo ra điện áp đa bậc từ nguồn DC đơn và bổ sung diode kết nối với điểm trung tính… Nghịch lưu đa bậc đa nguồn có thể tạo ra các bậc với các nguồn DC có giá trị khác nhau. Bao gồm có nghịch lưu cascade, hybrid cascade và hybrid casacde cầu H mới. Nghịch lưu kết nối kiểu cascade cầu H được phát triển bởi Barker và Bannister năm 1975, các cầu H được nối với nguồn DC riêng biệt được gọi là nghịch lưu đa bậc cầu H.

Năm 2000, tác giả Li Li đã đề xuất một phương pháp loại bỏ sóng hài với kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM. Phương pháp đo độ rộng xung loại bỏ hài đã được áp dụng một cách có hệ thống lần đầu tiền cho các nghịch lưu PWM nguồn áp. Năm 2004, Corzine Keith và cộng sự giới thiệu một loại nghịch lưu đa bậc mới sử dụng một nguồn điện áp DC, tuy nhiên nó được ứng dụng trong các hệ thống đẩy của tàu biển. Năm 2005, Mariethoz và cộng sự phát triển một nghịch lưu đa bậc cascade với các nguồn điện áp DC có giá trị khác nhau với lợi ích là giảm giá thành và tổn thất của máy biến áp tạo nguồn DC.

Tiếp theo đó hàng loạt các công trình nghiên cứu được ra đời với các loại cấu trúc ghép nối cả tiến như nghịch lưu cầu H lai (1988) và nghịch lưu cầu H lai mới như năm 2009 thì Ki Seon và cộng sự đã trình bày một chương trình điều chế độ rộng xung ngẫu nhiên lai mới trên TMS320LF2407 để giảm tiếng ồn của động cơ cảm ứng. Hàng loạt các bài báo với các công trình nghiên cứu liên quan được công bố trên tạp chí IEEE về các phương pháp điều chế cho nghịch lưu cascade 3 bậc 5 bậc sử dụng phần mềm mô phỏng matlab. Năm 2005 tạp chí IEE HVTH: NGÔ NGỌC NAM 2 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Proccedings Electric Power Applications đăng tải nghiên cứu Nguyen Van Nho Myung-Joong Youn [2] cho phép giải thích hóa tương quan SVPWM. Tình hình nghiên cứu trong nước cũng được quan tâm khi có nhiều các luận văn thạc sĩ, luận tán tiến sĩ … về nghịch lưu đa bậc ra đời.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Trần Quốc Hoàn trường đại học bách khoa Tp. Hồ Chí Minh [10], đã nghiên cứu về cấu trúc và các phương pháp điều khiển của các loại nghịch lưu áp đa bậc. Luận văn chú trọng vào phân tích bộ nghịch lưu cascade và các phương pháp điều khiển như điều chế độ rộng xung sin, điều chế vecto không gian, điều chế độ rộng xung cải biến và được mô phỏng kết quả trên phần mềm matlab. Luận văn thạc sĩ của Phan Thanh Hoàng Anh [8] nói về điều khiển PWM cho nghịch lưu ghép nối tầng 2 bậc với cả mô phỏng và sau đó là thực nghiệm với card DS1104.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Thanh Toàn [11] trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trình bày nghịch lưu áp 2, 3 bậc kết hợp với lập trình điều khiển trên card DSP TMS320F2812 để điều khiển nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc NPC. Luận văn thạc sĩ của tác giả Lê Việt Dũng [9] trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nghiên cứu về ảnh hưởng của bộ lọc ngõ ra đến nghịch lưu áp 3 pha hai bậc kết hợp với thực nghiệm trên card STM32 Cortex F4 Discovery.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu và mô phỏng nghịch lưu 3 pha dạng nối tầng được sử dụng trong biến tần với phương pháp điều khiển điều chế sóng mang dạng sin.

Từ đó, tiến hành xây dựng mô hình thực tế của bộ nghịch lưu 3 pha đa bậc dạng nối tầng để điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ.4 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Để thực hiện mục tiêu trên thì nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài này là: - Nghiên cứu về nghịch lưu, nghịch lưu cascade. - Nghiên cứu phương pháp điều khiển sin PWM cho nghịch lưu cascade 5 bậc. - Mô phỏng nghịch lưu cascade bằng phần mềm matlab r2016a từ đó chọn được giải thuật điều khiển phù hợp để xây dựng trên mô hình thực nghiệm. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 3 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ - Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chọn các linh kiện cho mô hình thực nghiệm.

- Thi công chế tạo mô hình thực nghiệm với công suất tải 1,5 kW.5 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được nghiên cứu bằng những phương pháp như sau: - Nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, mô phỏng kết hợp thực nghiệm. - Mô phỏng bằng phần mềm matlab r2016a. - Lập trình điều khiển trên phần mềm matlab r2016a với card điều khiển TMS320F28335 của Texas Instruments và sử dụng máy đo sóng của hãng Tektronic để kiểm tra thực tế. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 4 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về nghịch lưu Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện. Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp thì bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp, ngược lại đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng gọi là bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất là nguồn điện áp và nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra khác nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu cấu thành nên biến tần. Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vão lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.

Trong giới hạn đề tài này chỉ xét đến bộ nghịch lưu áp và chỉ ứng dụng vào biến tần để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha. HVTH: NGÔ NGỌC NAM 5 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ 2.1 Giới thiệu Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp, tần số xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một ngõ vào là nguồn một chiều, nó có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin hoặc ở dạng phức tạp hơn như ngõ ra của bộ chỉnh lưu có lọc phẳng. Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng (động cơ, 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 và ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ thì có thể sử dụng BJT, MOSFET, IGBT, phạm vi công suất lớn có thể dung GTO, IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.