Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hcmute nghiên cứu giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Lê Thị Lý
• Người hướng dẫn: TS. Quách Thanh Hải
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Thuật Điều Chế Sóng Mang 3 Pha 5 Bậc Triệt Tiêu Điện Áp Common Mode
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của đề tài
• 1.6. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về nghịch lưu
• 2.2. Bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade
• 2.2.1. Bộ nghịch lưu cầu 1 pha
• 2.2.2. Nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc dạng cascade
• 2.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung (SPWM)
• 2.2.4. Điện áp common mode
• 3. CHƯƠNG 3: TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC CASCADE
• 3.1. Phương pháp triệt tiêu điện áp common mode
• 3.2. Nguyên lý giải thuật
• 4. CHƯƠNG 4: MẠCH MÔ PHỎNG – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode
• 4.2. Chức năng các khối
• 4.3. Kết quả mô phỏng
• 4.3.1. Số liệu mô phỏng
• 4.3.2. Kết quả mô phỏng mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode
• 4.3.3. Đánh giá giải thuật
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Mô hình thực nghiệm
• 5.2. Các thành phần chính của sơ đồ khối
• 5.2.1. Khối tạo sóng điều khiển
• 5.2.2. Khối công suất
• 5.3. Kết quả thực nghiệm
• 5.3.1. Số liệu thực nghiệm
• 5.3.2. Kết quả thực nghiệm mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc triệt tiêu điện áp common mode
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu về giải thuật điều chế sóng mang 3 pha 5 bậc tại HCMUTE tập trung vào việc triệt tiêu điện áp common mode trong bộ nghịch lưu cascade. Trong bối cảnh điện tử công suất đang phát triển mạnh mẽ, việc giảm thiểu điện áp common mode là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị. Đề tài này không chỉ giải quyết vấn đề lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp điện tử.

1.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu là phát triển một giải thuật điều chế hiệu quả nhằm triệt tiêu điện áp common mode trong mạch nghịch lưu 3 pha 5 bậc. Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra mà còn giảm thiểu các tác động tiêu cực đến động cơ và thiết bị điện tử khác. Đề tài cũng hướng đến việc xây dựng một mô hình mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng tính khả thi của giải thuật.

1.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng công nghệ điều chế sóng mang vào các hệ thống điện tử công suất. Việc triệt tiêu điện áp common mode sẽ giúp nâng cao tuổi thọ của động cơ và giảm thiểu hư hỏng thiết bị. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về nghịch lưu và cấu hình của bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc. Nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn DC thành AC, với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Bộ nghịch lưu 5 bậc dạng cascade được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra chất lượng cao với tổng méo hài thấp. Việc sử dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc kết hợp các nguồn DC ảo là cần thiết để tạo ra các cấp điện áp khác nhau.

2.1 Lý thuyết về nghịch lưu

Nghịch lưu có hai dạng chính: nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng. Bộ nghịch lưu áp cung cấp điện áp xoay chiều ở ngõ ra, trong khi nghịch lưu nguồn dòng điều khiển dòng điện qua các linh kiện công suất. Các linh kiện như IGBT và MOSFET thường được sử dụng trong các ứng dụng điện tử công suất. Việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

2.2 Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc

Bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc được xây dựng từ ba bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc. Mỗi pha có thể tạo ra nhiều trạng thái điện áp khác nhau, từ đó cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt. Việc sử dụng các tổ hợp trạng thái đóng ngắt của các IGBT là rất quan trọng để đảm bảo rằng điện áp common mode được triệt tiêu hiệu quả. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các trạng thái này có thể giảm thiểu đáng kể điện áp common mode.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc sử dụng mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28355. Các bước nghiên cứu được thực hiện theo quy trình chặt chẽ, từ việc tìm hiểu lý thuyết đến việc áp dụng thực tiễn. Mô phỏng giúp kiểm chứng các kết quả lý thuyết và thực nghiệm cung cấp dữ liệu thực tế để đánh giá hiệu quả của giải thuật điều chế.

3.1 Mô phỏng và thực nghiệm

Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm PSIM, cho phép kiểm tra các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu và điện áp đầu ra. Thực nghiệm được tiến hành trên mô hình vật lý với các thiết bị đo của hãng Tektronix. Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm sẽ được so sánh để đánh giá tính chính xác và hiệu quả của giải thuật đề xuất.

3.2 Đánh giá kết quả

Kết quả nghiên cứu sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ chính xác của điện áp đầu ra, mức độ triệt tiêu điện áp common mode và hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc đánh giá này không chỉ giúp khẳng định tính khả thi của giải thuật mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất trên thế giới và tại Việt Nam, lĩnh vực nghịch lưu đa bậc ngày càng được chú trọng nghiên cứu và ứng dụng. Theo báo cáo của ngành, điện tử công suất được Chính phủ Việt Nam công nhận là lĩnh vực ưu tiên đầu tư từ năm 2010. Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhờ khả năng tạo ra điện áp đầu ra dạng bậc thang với chất lượng cao, tổng méo hài thấp và tổn hao chuyển mạch giảm. Tuy nhiên, quá trình đóng ngắt các khóa công suất trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp common mode (CMM), gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ động cơ, như làm bào mòn ổ bi.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển giải thuật điều chế sóng mang cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc nhằm triệt tiêu điện áp common mode, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2016 đến 2019, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi áp dụng cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc sử dụng IGBT làm khóa công suất. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc giảm tới 99,9% điện áp common mode, góp phần kéo dài tuổi thọ động cơ và giảm thiểu tổn hao năng lượng, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho ngành điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển.

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): Bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc được cấu thành từ ba bộ nghịch lưu cầu 1 pha ghép nối tiếp, mỗi pha có 5 mức điện áp đầu ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của IGBT. Điện áp đầu ra pha được tính dựa trên tổ hợp trạng thái khóa công suất, với 125 tổ hợp trạng thái chuyển mạch có thể xảy ra.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM): Sử dụng sóng mang tam giác cùng pha với tần số 5 kHz và biên độ chuẩn, so sánh với sóng điều khiển dạng sin lệch pha 120° để tạo xung kích điều khiển IGBT. Chỉ số điều chế ma được điều chỉnh trong khoảng 0 đến 1 để đảm bảo tuyến tính và giảm méo hài.

• Điện áp common mode (CMM): Được xác định là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn DC, gây ra bởi các trạng thái chuyển mạch không cân bằng. Công thức tính điện áp common mode là trung bình cộng điện áp pha, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ động cơ.

• Giải thuật triệt tiêu điện áp common mode: Dựa trên nguyên tắc chọn tổ hợp khóa IGBT sao cho tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, đảm bảo điện áp common mode bằng 0. Giải thuật sử dụng phân tích phần nguyên và phần dư của điện áp điều khiển, kết hợp với sóng mang để điều chỉnh trạng thái đóng ngắt khóa công suất, giảm thiểu điện áp common mode hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Tài liệu chuyên ngành về nghịch lưu đa bậc, điện áp common mode, và kỹ thuật điều chế SPWM; số liệu thực nghiệm từ mô hình vật lý.

• Phương pháp phân tích: Tính toán lý thuyết trạng thái chuyển mạch và điện áp đầu ra; xây dựng giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode; mô phỏng trên phần mềm PSIM để kiểm chứng lý thuyết.

• Cỡ mẫu và thiết bị: Mô hình thực nghiệm sử dụng kit DSP TMS320F28355 điều khiển bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, tải RL với R = 40 Ω, L = 10 mH, nguồn DC 50 V.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2019, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, phát triển giải thuật, mô phỏng và thực nghiệm.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc do tính phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đồng thời phù hợp với khả năng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả triệt tiêu điện áp common mode: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp common mode (UNO) giảm từ 18,5 V xuống còn khoảng 5,6 × 10⁻⁶ V, tương đương giảm 99,9% so với trước khi áp dụng giải thuật. Đây là mức giảm đáng kể, giúp hạn chế tối đa ảnh hưởng tiêu cực đến động cơ.

2. Dạng sóng điện áp và dòng điện: Điện áp pha nguồn và điện áp dây tải giữ nguyên dạng sóng 5 bậc với giá trị hiệu dụng ổn định (điện áp pha khoảng 64 V, điện áp dây tải khoảng 107 V). Dòng điện pha tải duy trì dạng sin với giá trị hiệu dụng khoảng 1,5 A, tuy nhiên có sự tăng nhẹ nhiễu do tổng méo hài THDu tăng từ 0,85% lên 2,73%, vẫn nằm trong tiêu chuẩn TCVN 2008-2-2.

3. Chỉ số điều chế và hiệu suất: Ở các giá trị chỉ số điều chế m từ 0,4 đến 0,7, điện áp common mode đều được triệt tiêu hiệu quả với tỷ lệ giảm 99,9%. Giá trị hiệu dụng điện áp pha và dòng điện tải ổn định, chứng tỏ giải thuật có tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế cao.

4. So sánh trước và sau triệt tiêu: Phân tích FFT điện áp pha tải cho thấy biên độ hài bậc 1 không đổi, nhưng các thành phần hài bậc cao tăng nhẹ sau khi áp dụng giải thuật, dẫn đến tăng THDu. Tuy nhiên, mức tăng này không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện áp và dòng điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp common mode là do giải thuật điều chế sóng mang đã chọn tổ hợp khóa IGBT với trạng thái đóng ngắt cân bằng, đảm bảo tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, từ đó triệt tiêu điện áp common mode hiệu quả. Kết quả mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm với kit DSP TMS320F28355 đồng nhất, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung và vector không gian, giải thuật này đơn giản hơn, dễ dàng triển khai trên các bộ điều khiển số hiện đại. Mặc dù có sự tăng nhẹ THDu, nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời giảm thiểu tổn hao và kéo dài tuổi thọ động cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp pha, điện áp dây tải, dòng điện pha trước và sau khi áp dụng giải thuật, cùng bảng tổng hợp các chỉ số hiệu suất như điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, điện áp common mode và THDu để minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật trên các hệ thống công nghiệp: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhằm giảm thiểu hư hỏng động cơ, nâng cao độ bền và hiệu suất vận hành. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp giải thuật trên các bộ vi xử lý DSP hoặc FPGA để dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác. Mục tiêu giảm thời gian thiết kế và tăng tính linh hoạt. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

3. Nâng cao chất lượng điện áp đầu ra: Kết hợp giải thuật triệt tiêu điện áp common mode với các kỹ thuật lọc sóng hài nâng cao để giảm THDu, đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị điện.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế sóng mang và triệt tiêu điện áp common mode cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế SPWM và giải thuật triệt tiêu điện áp common mode, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống truyền động điện: Giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách giảm thiểu điện áp common mode, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

3. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ điện tử công suất: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm để phát triển các giải thuật điều khiển mới, cải tiến hiệu quả và độ tin cậy của bộ nghịch lưu đa bậc.

4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì thiết bị điện: Tham khảo để áp dụng giải thuật vào thực tế nhằm giảm thiểu sự cố, tăng tuổi thọ động cơ và tiết kiệm chi phí bảo trì, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật triệt tiêu điện áp common mode hoạt động như thế nào?
   Giải thuật dựa trên việc chọn tổ hợp trạng thái đóng ngắt của các khóa IGBT sao cho tổng trạng thái chuyển mạch ba pha bằng 6, đảm bảo điện áp common mode bằng 0. Sóng điều khiển được điều chỉnh dựa trên phần nguyên và phần dư của điện áp điều khiển, so sánh với sóng mang để tạo xung kích phù hợp.

2. Giải thuật có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp và dòng điện không?
   Sau khi áp dụng giải thuật, điện áp pha và dòng điện pha vẫn giữ dạng sóng 5 bậc và sin chuẩn, giá trị hiệu dụng ổn định. Tuy nhiên, tổng méo hài THDu tăng nhẹ từ 0,85% lên 2,73%, vẫn nằm trong tiêu chuẩn kỹ thuật cho phép.

3. Phần mềm và thiết bị nào được sử dụng để kiểm chứng giải thuật?
   Phần mềm mô phỏng PSIM được sử dụng để kiểm tra lý thuyết, trong khi mô hình thực nghiệm sử dụng kit DSP TMS320F28355 điều khiển bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc với tải RL thực tế.

4. Giải thuật có thể áp dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc khác không?
   Giải thuật được thiết kế cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, tuy nhiên nguyên lý chọn tổ hợp khóa triệt tiêu điện áp common mode có thể được điều chỉnh và mở rộng cho các cấu hình đa bậc khác với nghiên cứu thêm.

5. Lợi ích thực tiễn của việc triệt tiêu điện áp common mode là gì?
   Giảm điện áp common mode giúp hạn chế bào mòn ổ bi động cơ, kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm tổn hao năng lượng và sự cố kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động điện.

Kết luận

• Đã phát triển thành công giải thuật điều chế sóng mang triệt tiêu điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, giảm điện áp common mode tới 99,9%.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong thực tế.
• Dạng sóng điện áp và dòng điện giữ nguyên chất lượng, chỉ số méo hài tăng nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật.
• Giải thuật đơn giản, dễ triển khai trên các bộ điều khiển số hiện đại như DSP TMS320F28355.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng giải thuật trong công nghiệp, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư ngành điện tử công suất.

Các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu nên triển khai thử nghiệm giải thuật trên hệ thống thực tế, đồng thời phát triển các phiên bản nâng cao để giảm méo hài và mở rộng ứng dụng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây điện tử công suất đang ngày càng phát triển trên thế giới. Ở Việt Nam, thấy được tầm quan trọng của công nghệ điện tử công suất, năm 2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tử công suất là lĩnh vực ưu tiên đầu tư và phát triển. Việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn và với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xất ngày càng nhiều, được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển mạnh mẽ, đi kèm theo đó là các yêu cầu trong khâu kỹ thuật truyền động phải có độ chính xác cao và một trong những cấu trúc được nghiên cứu đưa vào ứng dụng để điều khiển đó là các bộ nghịch lưu đa bậc có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang ở đầu ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tổn hao chuyển mạch thấp [1] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [2], [3].

Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau là sử dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc máy biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [4]. Các cấu hình đa bậc phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [5], kẹp tụ (FC) [6] và ghép tầng cascade (CHB) [7], [8], [9]. Nhưng phần lớn quá trình đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp Common mode ảnh hưởng đến tải, tác động lên động cơ xoay chiều làm cho các ổ bi bị bào mòn làm giảm tuổi thọ của động cơ đã được các tác giả Nguyen-Van Nho, Myung - Bok Kim chứng minh [10]. Vì vậy vấn đề đặt ra là làm thế nào để giảm điện áp common mode trên bộ nghịch lưu mà điển hình là bộ nghịch lưu cascade.

Vì 1 Luan van vậy tôi đã chọn chuyên đề : “ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 3 PHA 5 BẬC TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON MODE ”. Các vấn đề về điện áp common-mode đã được nhiều tác giả nghiên cứu trong đó có các tác giả Haoran Zhang [11], Hee-Jung Kim [12], Poh Chiang Loh [13] và luận văn của thạc sĩ Phạm Thị Kim Thê [14] Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM, họ đã đạt được những kết quả nhất định, nhiều biện pháp khác nhau cũng được đưa ra, các biện pháp về kỹ thuật điều chế độ rộng xung, điều chế vector không gian được tập trung phát triển. Kỹ thuật điều chế nhằm giảm điện áp common mode là biện pháp chủ động triệt tiêu hoàn toàn hoặc giới hạn điện áp common mode trong khoảng thấp nhất. Đề tài này tập trung giải quyết bài toán triệt tiêu điện áp common-mode cho mạch 3 pha 5 bậc.

Dựa trên nguyên tắc sử dụng tổ hợp khóa có các trạng thái đóng ngắt không sinh ra điện áp common mode.Từ đó ta có được các tổ hợp các khóa có các trạng thái chuyển mạch triệt tiêu điện áp common mode để điều chế được điện áp điều khiển theo yêu cầu. Đề tài xây dựng một giải thuật đơn giản dựa trên kỹ thuật sóng mang cho phép dễ dàng kiểm soát và triệt tiêu điện áp common mode. Chương trình mô phỏng và các kết quả sẽ được kiểm chứng trên phần mềm Psim, thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28355 và sử dụng tải R - L.2 Mục đích của đề tài Nghiên cứu cấu hình nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc, giải thuật để triệt tiêu điện áp common mode do quá trình đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu. Từ đó đưa ra giải thuật triệt tiêu điện áp common mode cho mạch cascade 3 pha 5 bậc.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Đề tài có các nhiệm vụ như sau: - Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu Cascade 5 bậc, điện áp common mode.

- Đề xuất giải thuật triệt tiêu điện áp Common-mode. - Mô phỏng bộ nghịch lưu Cascade 5 bậc theo giải thuật đề xuất. - Thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28355. 2 Luan van - Đánh giá kết quả đạt được.4 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu trên cơ sở tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm.

- Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng PSIM. - Lập trình điều khiển trên phần mềm chuyên dụng PSIM với lập trình với vi mạch TMS320F28335 của tập đoàn Texas Instruments ngôn ngữ C/C++ và được kiểm chứng bằng thực tế. - Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo của hãng Tektronix.5 Điểm mới của đề tài Các điện áp Common mode được triệt tiêu dựa trên trạng thái đóng ngắt của các khoá không sinh ra điện áp Common mode.6 Ý nghĩa thực tiễn. Đề tài có thể ứng dụng trong mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc nhằm hạn chế được một trong những nguyên nhân làm ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ.

Ứng dụng làm tài liệu nghiên cứu cho sinh viên nghành điện, nghành điện tử. 3 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi thành năng lượng xoay chiều. Nghịch lưu có hai dạng: Nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng. Nguồn cung cấp cho hai bộ nghịch lưu này tương ứng với tên của nó là nguồn áp và nguồn dòng.

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (động cơ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện công suất (SCR, IGBT,…) được điều khiển đóng ngắt bằng mạch điều khiển hay mạch lái.2 Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể là acqui, pin mặt trời hoặc từ mạch chỉnh lưu điện xoay chiều đã được lọc phẳng. Các linh kiện công suất trong mạch đóng vai trò như các công tắc. Có thể sử dụng IGBT, MOSFET, BJT cho các mô hình công suất vừa và nhỏ, với các mô hình công suất lớn có thể sử dụng IGCT, SCR, GTO,… Với tải tổng quát, mỗi công tắc có một diode mắc song song.

Các diode này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển, chiều dòng điện ngược chiều với công tắc, với mục đích trao đổi công suất ảo giữa tải xoay chiều và nguồn một chiều, hạn chế quá điện áp gây hư hỏng linh kiện khi kích ngắt các công tắc. Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau: + Theo số pha: nghịch lưu một pha, nghịch lưu 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 lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây 4 Luan van động cơ dv/dt khá lớn gây ra hiện tượng common mode (UNO  0) rất lớn. Bộ nghịch lưu đa bậc phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch lưu hai bậc và nó thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn.

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lưu 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 lưu hai bậc. + Theo cấu hình bộ nghịch lưu: Nghịch lưu đa bậc thường sử dụng hai cấu trúc chính là nghịch lưu kiểu diode kẹp (Neutral Point clamped Multilevel Inverter - NPC) và nghịch lưu kiểu cascade (cascade multilevel inverter). Ngoài hai cấu trúc trên còn có cấu trúc lai [15] là kết nối các kiểu cấu trúc cơ bản với các nguồn điện có trị số khác nhau.2 Bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade 2.1 Bộ nghịch lưu cầu 1 pha Mạch nghịch lưu cascade 5 bậc được xây dựng dựa trên nghịch lưu cầu pha gồm có 4 linh kiện IBGT chia làm 2 nhánh mắc song song và mắc với một nguồn DC mỗi nhánh có 2 IBGT nối tiếp với nhau theo sơ đồ: Hình 2. 1:Nghịch lưu cầu 1 pha Nguyên lý hoạt động: Dựa vào trạng thái hoạt động của IGBT.

S là trạng thái đóng ngắt IGBT hoạt động với 2 trạng thái 0 và 1. Trong đó với trạng thái 0 thì IBGT không dẫn (hở mạch) và trạng thái 1 thì IBGT dẫn. 5 Luan van ST1 là trạng thái đóng ngắt IGBT hoạt động bên trái ở trên. ST1N là trạng thái đóng ngắt IGBT hoạt động bên trái ở dưới.

SP1 là trạng thái đóng ngắt IGBT hoạt động bên phải ở trên. SP1N là trạng thái đóng ngắt IGBT hoạt động bên phải ở dưới. Điều kiện để mạch hoạt động: Trạng thái hoạt động của ST1, ST1N trái ngược nhau khi ST1 = 0, ST1N = 1 và khi ST1 =1, ST1N =0. Ta có công thức: ST1 + STN1 = 1 (2.1) Tương tự ST1, ST1N thì khi SP1 = 0, SP1N = 1 và khi SP1 = 1, SP1N = 0.

Ta có: SP1 + SP1N = 1 (2.2) Ta có: VT1 = ST1.4) Xác định điện áp ra U1 = VT1 – VP1 = (ST1 –SP1).5) Số trạng thái ST1, SP1 22 = 4 trạng thái.1: Trạng thái ngõ ra nghịch lưu cầu 1 pha. ST1 Sp1 U1 0 1 -U 1 1 0 0 0 0 1 0 U Hay nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu cầu 1 pha thể hiện qua tổ hợp các trạng thái đóng ngắt (ST1, SP1N) của các IGBT mắc chéo nhau được mô tả như bảng sau: 6 Luan van Bảng 2. 2:Tổ hợp các trạng thái đóng ngắt (SP1 ,ST1N) S1 =( ST1+ SP1N) U1 (ST1 , SP1N) 0 -U (0,0) 1 0 (0,1) 1 0 (1,0) 2 +U (1,1) Đặt S1 = (ST1+ SP1N) là trạng thái đóng cắt các khóa trong mạch nghịch lưu thì giá trị S tương ứng với 1 giá trị điện áp ngõ ra trên tải.2 Nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc dạng cascade Hình 2. 2: Mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc Mạch nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc tạo thành từ ghép 3 mạch nghịch lưu cascade 1 pha 5 bậc (2 bộ nghịch lưu cầu ba pha) tương ứng với 6 bộ nghịch lưu cầu một pha.

7 Luan van Xét một pha x của bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc: Hình 2.