Luận văn thạc sĩ về điều khiển cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC

Nghiên cứu điều khiển cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, tập trung vào giải pháp tối ưu hiệu suất hệ thống điện công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Minh Chánh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Điện Áp Tụ Trong Nghịch Lưu 3 Pha 4 Nhánh NPC, Ứng Dụng Điều Khiển Bộ Nguồn Hiện Đại
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu điều khiển cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện tử. Nghịch lưu 3 pha với cấu trúc NPC (Neutral Point Clamped) đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế và phát triển một hệ thống điều khiển nhằm duy trì cân bằng điện áp trên các tụ điện trong mạch nghịch lưu. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Theo nghiên cứu, việc duy trì cân bằng điện áp giữa các tụ điện là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Các phương pháp điều khiển hiện đại như khuếch đại cộng hưởng (Proportional Resonant Control) được áp dụng để tối ưu hóa chất lượng điện áp ngõ ra.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống điều khiển hiệu quả cho cân bằng điện áp tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC. Hệ thống này sẽ sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến để đảm bảo rằng điện áp trên các tụ điện luôn ở mức ổn định, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Việc sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và kiểm chứng các giải thuật điều khiển là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với thực nghiệm để đánh giá tính hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

II. Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC

Cấu trúc của mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC được thiết kế để tối ưu hóa việc điều khiển điện áp. Mạch này bao gồm các linh kiện bán dẫn như IGBT và các tụ điện được kết nối theo cách cho phép cân bằng điện áp hiệu quả. Việc sử dụng công nghệ nghịch lưu đa bậc giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc duy trì cân bằng điện áp giữa các tụ điện là rất quan trọng để ngăn ngừa hiện tượng quá áp và giảm thiểu sóng hài. Hệ thống này cũng cho phép điều khiển linh hoạt hơn trong các tình huống tải không cân bằng, từ đó nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống.

2.1. Mạch công suất

Mạch công suất trong hệ thống nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC được thiết kế để xử lý dòng điện lớn và duy trì cân bằng điện áp trên các tụ điện. Các linh kiện như IGBT được sử dụng để chuyển đổi điện năng một cách hiệu quả. Việc thiết kế mạch công suất cần phải đảm bảo rằng các tụ điện hoạt động trong giới hạn an toàn, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa mạch công suất có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.

III. Phân tích giải thuật cân bằng điện áp tụ

Giải thuật cân bằng điện áp tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các giải thuật này được phát triển nhằm đảm bảo rằng điện áp trên các tụ điện luôn ở mức ổn định, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Việc phân tích hàm dòng điện chuyển mạch là cần thiết để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của mạch. Các giải thuật này không chỉ giúp duy trì cân bằng điện áp mà còn tối ưu hóa tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể chất lượng điện áp ngõ ra.

3.1. Giải thuật cân bằng điện áp

Giải thuật cân bằng điện áp được phát triển dựa trên các phương pháp điều khiển hiện đại như khuếch đại cộng hưởng. Các giải thuật này cho phép điều chỉnh điện áp trên các tụ điện một cách linh hoạt, từ đó duy trì cân bằng điện áp trong mạch. Việc áp dụng các giải thuật này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các giải thuật điều khiển tiên tiến có thể giúp nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra, đồng thời giảm thiểu sóng hài và tổn thất năng lượng.

IV. Ứng dụng giải thuật cân bằng tụ điều khiển bộ nguồn hiện đại

Việc ứng dụng giải thuật cân bằng tụ trong điều khiển bộ nguồn hiện đại là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu này. Các bộ điều khiển như Resonant controller được sử dụng để tối ưu hóa chất lượng điện áp ngõ ra. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc duy trì cân bằng điện áp giữa các tụ điện không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các ứng dụng thực tế của giải thuật này có thể được thấy trong các hệ thống điện hiện đại, nơi yêu cầu độ tin cậy và hiệu suất cao.

4.1. Bộ điều khiển Resonant

Bộ điều khiển Resonant là một trong những công nghệ tiên tiến được áp dụng trong nghiên cứu này. Công nghệ này cho phép điều khiển điện áp ngõ ra một cách chính xác, từ đó duy trì cân bằng điện áp trên các tụ điện. Việc sử dụng bộ điều khiển này giúp giảm thiểu sóng hài và tổn thất năng lượng, đồng thời nâng cao hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng bộ điều khiển Resonant có thể cải thiện đáng kể chất lượng điện áp ngõ ra trong các ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Biến tần đa bậc NPC đã ra đời từ rất lâu , trải qua nhiều giai đoạn phát triển và có nhiều ứng dụng trong thực tiển 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 khiển có thể làm tăng cƣờng tiń h xác lâ ̣p và các tin ́ h 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 giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong thiết bị , khả năng giảm bớt các nhiễu do sóng hài gây ra. Sƣ̣ mấ t cân bằ ng quá mƣ́c cho phép của điê ̣n áp gi ữa các tu ̣ đi ện của b ộ nghịch lƣu áp có thể gây ra hi ện tƣợng quá áp trên các linh kiê ̣n công suấ t và các tu ̣ điện, gây ra các sóng hài bâ ̣c cao ngoài ý muốn ở phía tải nhƣ hài bâ ̣c 3,5,7. gây ra các tác hại trực tiếp trên tải động cơ , làm giảm khả năng kiểm soát điện áp nghịch lƣu và dòng điê ̣n bù lo ̣c cho ma ̣ch lo ̣c tić h cƣ̣c.

Việc duy trì cân bằ ng điê ̣n áp gi ữa các tu ̣ đi ện sẽ kiể m soát chấ t lƣơ ̣ng ngõ vào của bộ nghịch lƣu áp đa bậc NPC và đảm bảo chất lƣợng ngõ ra về độ méo dạng THD , cho phép thiế t kế b ộ nghịch lƣu áp với dung lƣơ ̣ng tu ̣ nhỏ nhấ t , giảm stress điê ̣n áp cho linh kiê ̣n. Trong hệ thống mạch 3 pha , 4 dây NPC , vấn đề cân bằng áp tụ hiện nay trong nƣớc vẫn chƣa có nhiều nguồn thông tin về lĩnh vực này để tiếp cận. Bên cạnh đó, trên thế giới các công trình nghiên cứu về đề tài này vẫn đang ở trong quá trình mô phỏng, chƣa đƣợc thực nghiệm. Trong nhiều bài báo nghiên cứu hệ thống nghịch lƣu 3 pha 4 dây, mạch NPC đƣợc ứng dụng ở dạng 3 nhánh NPC [4-5], trong đó dây trung tính của tải sẽ mắc vào điểm trung tính NP của bộ nghịch lƣu và điều khiển hệ thống đƣợc kết hợp với điều khiển cân bằng điện áp tụ nhƣ (hình 1.

Giải pháp này có ƣu điểm là giảm 15 LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh bớt 1 nhánh NPC. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cho thấy, do không kiểm soát nhánh thứ 4 nên chất lƣợng của cấu trúc này bị hạn chế, đặc biệt cho các ứng dụng có kiểm soát dòng điện nhánh thứ 4.1: Nghịch lưu 3 pha 3 nhánh 4 dây Hệ thống 3 pha, 4 dây 4 nhánh (hình 1.2) cho phép khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên và đã đƣợc phát triển cho hệ thống nghịch lƣu 4 nhánh 3 bậc [6]-[8]. Để có thể tận dụng ƣu điểm của hệ thống nghịch lƣu 4 nhánh cho trƣờng hợp nghịch lƣu 3 bậc NPC cần phải giải quyết bài toán cân bằng điện áp các tụ DC. Hiện nay, chƣa có nhiều công bố về việc giải quyết này Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật mới để giải quyết điều khiển nghịch lƣu áp 3 pha 4 dây 4 nhánh dạng NPC có điều khiển cân bằng điện áp các tụ.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh 1 + Sa1 Sb1 Sc1 Sd1 VC1 ia A Sa2 Sb2 Sc2 Sd2 ib VDC A B iNP B LOAD 0 C D C Sa3 Sb3 Sc3 Sd3 ic N VC2 id Sa4 Sb4 Sc4 Sd4 - -1 Hình 1.2: Nghịch lưu 3 pha 4 nhánh 4 dây Phƣơng pháp mới giúp kiể m soát cân bằ ng điê ̣n áp gi ữa 2 tụ điện trong ma ̣ch một chiều của bộ nghịch lƣu áp 3 bâ ̣c NPC s ử dụng nguyên lý phân ly hàm offset , đó là kỹ thu ật chuyển mạch 2 bậc (two-level modulation), chuyển mạch 3 bậc (three-level modulation) để đạt dòng trung tính yêu cầu (Neutral Point Current) Cấu trúc này thƣờng gặp đƣợc xây dựng dựa trên bộ nghịch lƣu 3 bậc.

Cấu trúc này tuy tốn nhiều linh kiện bán dẫn nhƣng đòi hỏi tầm chịu đựng của các linh kiện này không cao về dòng và áp, đồng thời tổn hao trong quá trình đóng ngắt không lớn. Thiết kế này đòi hỏi một số lƣợng linh kiện bán dẫn phù hợp, làm tăng độ tin cậy và ổn định giá thành của thiết kế so với các thiết kế dựa trên nghịch lƣu 2 bậc hoặc 5 bậc, 7 bậc. Với những cấu trúc trên, giải thuật điều khiển đƣợc lựa chọn thƣờng là các giải thuật giải tích các hàm dòng điện trong các vùng, điều khiển P, PI, Nơron, Mờ… Sai lệch điện áp tụ bằng việc điều khiển các dòng điện chạy qua các pha dựa trên giái tích dòng điện nói trên. Ngoài ra giải thuật còn đề cập đến các vấn đề tối ƣu tổn hao đóng ngắt trong linh kiện khi hoạt động ở điện áp lớn và dòng điện cao.

Mô hình điều khiển cân bằng điện áp tụ nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC với cấu trúc là bộ nghịch lƣu đa bậc vẫn chƣa đƣợc đề cập, nghiên cứu nhiều trong ứng 17 LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh dụng bộ nghịch lƣu, dù nghịch lƣu đa bậc có nhiều lợi điểm về linh kiện bán dẫn, ít tổn hao trong quá trình đóng ngắt cũng nhƣ khả năng tƣơng tác giữa các thành phần trong mô hình. Các giải thuật điều khiển vẫn chƣa đƣợc áp dụng cho mô hình này. Với các kết quả đạt đƣợc sau khi cân bằng điện áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 nhánh NPC, giải thuật điều khiển bộ nguồn đƣợc lựa chọn thƣờng là các giải thuật đơn giản nhƣ điều khiển hồi tiếp dòng áp nhƣ, điều khiển P, PI. Một số nghiên cứu chuyên sâu hơn tập trung vào bộ điều khiển cộng hƣởng (resonant controller) nhƣ trong [10] [11] [12].

Tuy nhiên, việc sử dụng các phƣơng pháp điều khiển này cũng không thể loại bỏ các hạn chế mà việc sử dụng các cấu trúc nghịch lƣu nêu trên mắc phải. Vì thế, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lƣu 3 bậc – 3pha, 4 dây NPC. Từ đó áp dụng cho bộ điều khiển nguồn sử dụng phƣơng pháp khuếch đại công hƣởng (Proportional resonant control) 1.2 Mục tiêu đề tài - Thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa bậc. Nhờ đó tạo đƣợc chất lƣợng ngõ ra tốt, giảm đƣợc tổn hao đóng ngắt so với các mô hình khác.

- Giải quyết các vấn đề liên quan khi sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa bậc: Vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ trong cấu trúc nghịch lƣu đa bậc NPC với tải 3 pha không cân bằng bất kì. - Nâng cao giải thuật trong việc tối ƣu đóng ngắt trong các trƣờng hợp nhƣ: Cân bằng tuyệt đối điện áp tụ, tối ƣu tổn hao đóng ngắt trên linh kiện… - Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng các giải thuật đã đƣợc lựa chọn.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh - Thiết kế mô hình thực nghiệm. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lƣu: Đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mô hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính toán và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn). - Thử nghiệm mô hình với các giải thuật điều khiển ổn định đã xây dựng.

Giải quyết các vần đề liên quan phát sinh trong quá trình thử nghiệm. - Trên cơ sở so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu đƣợc, đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác của việc điều khiển cân bằng áp tụ trong bộ nghịch lƣu NPC từ đó ứng dụng các giải thuật điều khiển vào bộ nghịch lƣu có cấu trúc nghịch lƣu đa bậc. - Thiết kế mô hình thực nghiệm bộ nguồn tần số sử dụng giải thuật P_resonant control. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế bộ nguồn tần số, nhƣ đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mô hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính toán và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn).3 Phạm vi đề tài - Tìm hiểu cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc NPC 3 pha 4 dây.

Thiết kế bộ điều khiển cân bằng điện áp tụ với tải bất kỉ. - Dựa trên kết quả cân bằng điện áp tụ , thiết kế lọc công suất cho bộ nghịch lƣu để có đƣợc điện áp ngõ ra True-Sine. - Xây dựng giải thuật điều khiển bộ nguồn 50hz dựa trên bộ điều khiển khuếch đại – cộng hƣởng (Proportional Resonant Controller). - Mô phỏng các giải thuật cân bằng tụ đã đƣợc đề cập trong lý thuyết ở trên sử dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks.

- Mô phỏng bộ nguồn 50hz với các giải thuật điều khiển đã xây dựng, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh - Xây dựng thực nghiệm : 1. Cân bằng áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC với công suất khoảng 1KW, dòng điện tải từ 2-4A , sai số điện áp trên tụ dƣới 2%. Điều khiển bộ nguồn dùng phƣơng pháp P_resonant với dòng điện 2A, THD dƣới 5%. - Thử nghiệm mô hình thực tế với giải thuật điều khiển lựa chọn và đánh giá kết quả thu đƣợc, từ đó rút ra các kết luận, ƣu nhƣợc điểm và hƣớng phát triển của đề tài.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại Nguyễn Minh Chánh CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC 2.1 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC Mô hình cấu trúc chung của một bộ nghịch lƣu đƣợc cho trong Hình 2.