Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha, ứng dụng trong hệ thống điện.

• Tác giả: Tường Duy Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Khai
• Trường học: Trường 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 vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan 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
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái niệm bộ nghịch lưu
• 2.2. Nghịch lưu tăng áp ba pha
• 2.3. Nghịch lưu quasi switched boost inverter (qSBI)
• 2.4. Các phương pháp điều chế cho nghịch lưu tăng áp
• 2.4.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cho nghịch lưu qSBI
• 2.4.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến cho bộ nghịch lưu qSBI (Modified SPWM)
• 2.4.3. Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu qSBI
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 2 CHO BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP (qSBI)
• 3.1. Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp ba pha (qSBI)
• 3.2. Phân tích hoạt động
• 3.2.1. Trạng thái không ngắn mạch
• 3.2.2. Trạng thái ngắn mạch
• 3.3. Phương pháp điều chế vector không gian 2 (SVM2) cho cấu hình (qSBI)
• 3.3.1. Mẫu xung trong điều chế vector không gian cho nghịch lưu qSBI
• 3.3.2. Mẫu xung theo phương pháp SVM2 trong các sector
• 3.3.3. Cách tính toán giá trị mạch
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thông số và kết quả mô phỏng
• 4.1.1. Thông số mô phỏng
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2. Thông số và kết quả thực nghiệm
• 4.2.1. Mô hình thực nghiệm
• 4.2.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.3. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Trong những năm gần đây, bộ nghịch lưu đã trở thành một phần quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện xoay chiều và các ứng dụng công nghiệp khác. Đặc biệt, nghịch lưu tăng áp ba pha đã được nghiên cứu và phát triển để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng giải thuật điều chế như PWM và SVM có thể giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, phương pháp PWM vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế, như không tối ưu hóa số lần chuyển mạch, dẫn đến tổn thất công suất cao. Do đó, việc nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian (SVM) cho bộ nghịch lưu tăng áp là cần thiết để khắc phục những nhược điểm này.

1.1 Mục đích của đề tài

Mục đích chính của đề tài là áp dụng giải thuật SVM2 cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha nhằm tăng điện áp đầu ra cao hơn so với điện áp đầu vào. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Đề tài cũng hướng đến việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới, nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện trong các ứng dụng công nghiệp.

1.2 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Đề tài đặt ra một số nhiệm vụ cụ thể như nghiên cứu các cấu hình nghịch lưu tăng áp, từ đó đưa ra cấu hình tối ưu nhất. Bên cạnh đó, việc phân tích và mô phỏng trên phần mềm PSIM cũng là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Đề tài sẽ giới hạn trong việc nghiên cứu các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu và không mở rộng ra các loại hệ thống điện khác.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của đề tài tập trung vào việc phân tích các loại bộ nghịch lưu và các phương pháp điều chế. Nghịch lưu tăng áp ba pha (qSBI) được xem là một giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng phương pháp điều chế vector không gian (SVM) có thể giúp giảm thiểu tổn thất công suất và sóng hài trong điện áp đầu ra. Việc áp dụng SVM2 cho bộ nghịch lưu tăng áp không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các kết quả lý thuyết sẽ được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm.

2.1 Khái niệm bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng điện một chiều sang điện xoay chiều. Tùy thuộc vào loại tải mà bộ nghịch lưu có thể được phân loại thành bộ nghịch lưu áp hoặc bộ nghịch lưu dòng. Việc nghiên cứu cấu hình và hoạt động của bộ nghịch lưu là rất quan trọng để phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả hơn. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc sử dụng nghịch lưu tăng áp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống điện.

2.2 Nghịch lưu tăng áp ba pha

Nghịch lưu tăng áp ba pha (qSBI) là một trong những cấu hình tiên tiến nhất hiện nay. Nó cho phép tăng điện áp đầu ra mà không cần phải sử dụng nhiều linh kiện, từ đó giảm kích thước và chi phí sản xuất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nghịch lưu tăng áp có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ điều khiển động cơ đến các hệ thống năng lượng tái tạo. Việc áp dụng giải thuật điều chế vector không gian cho cấu hình này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

III. Giải thuật điều chế vector không gian

Giải thuật điều chế vector không gian (SVM) là một phương pháp tiên tiến trong việc điều khiển bộ nghịch lưu. Phương pháp này cho phép lựa chọn các trạng thái chuyển mạch một cách tối ưu, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất và sóng hài. SVM2 được áp dụng cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha nhằm cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng SVM2 có thể giúp giảm số lần chuyển mạch, từ đó kéo dài tuổi thọ của các linh kiện trong mạch.

3.1 Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp ba pha

Cấu hình của bộ nghịch lưu tăng áp ba pha (qSBI) được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu kích thước mạch. Việc sử dụng các linh kiện chất lượng cao và thiết kế mạch hợp lý sẽ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu hình này có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ điều khiển động cơ đến các hệ thống năng lượng tái tạo.

3.2 Phân tích hoạt động

Phân tích hoạt động của bộ nghịch lưu tăng áp là rất quan trọng để hiểu rõ cách thức hoạt động của nó. Các trạng thái không ngắn mạch và ngắn mạch sẽ được phân tích chi tiết để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc áp dụng giải thuật SVM2 sẽ giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu tổn thất công suất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp và công nghệ năng lượng mới, bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ điện xoay chiều, xe điện và các hệ thống phân phối điện hiện đại. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, hệ thống năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu và xe ô tô điện. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu truyền thống vẫn tồn tại nhiều hạn chế như kích thước mạch lớn, hiệu suất thấp do tổn hao công suất và số lượng linh kiện nhiều. Đặc biệt, phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) truyền thống không tối ưu trong việc giảm số lần chuyển mạch của các khóa bán dẫn, dẫn đến tổn thất công suất cao và sóng hài lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng giải thuật điều chế vector không gian (SVM2) cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha cấu hình quasi switched boost inverter (qSBI). Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích cấu hình mạch, phương pháp điều khiển, mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng card DSP TMS320F28355. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mục đích nâng cao hiệu suất, giảm tổn hao và cải thiện chất lượng điện áp, dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc tối ưu hóa cấu hình nghịch lưu qSBI kết hợp với giải thuật SVM2, giúp tăng điện áp ngõ ra trực tiếp chỉ qua một quá trình chuyển đổi, giảm số lần chuyển mạch, từ đó nâng cao tuổi thọ linh kiện và hiệu suất hệ thống. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ, xe điện và các nguồn năng lượng tái tạo, góp phần phát triển công nghệ điện tử công suất tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Bộ nghịch lưu (Inverter): Thiết bị chuyển đổi năng lượng điện một chiều (DC) sang điện xoay chiều (AC), với các loại phổ biến như nghịch lưu áp truyền thống, nghịch lưu nguồn Z (ZSI) và nghịch lưu tăng áp quasi switched boost inverter (qSBI). Bộ nghịch lưu qSBI có cấu hình đơn giản hơn ZSI với một cuộn dây, một tụ điện, hai diode và một khóa bán dẫn, giúp giảm kích thước mạch và tổn hao.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Bao gồm các kỹ thuật Sin PWM, Modified SPWM và điều chế vector không gian (SVM). PWM truyền thống dễ thực hiện nhưng không tối ưu hóa số lần chuyển mạch, gây tổn hao cao và sóng hài lớn.

• Phương pháp điều chế vector không gian (SVM): Tạo ra vector điện áp quay liên tục trên mặt phẳng tọa độ αβ, giúp giảm sóng hài và số lần chuyển mạch. Các biến thể SVM1, SVM2, SVM4, SVM6 có ưu nhược điểm khác nhau; trong đó SVM2 được lựa chọn do có hệ số tăng áp cao, giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn, nâng cao tuổi thọ linh kiện.

• Cấu hình nghịch lưu tăng áp qSBI: Kết hợp bộ nghịch lưu truyền thống với mạch tăng áp gồm cuộn dây, tụ điện, diode và khóa bán dẫn, cho phép hoạt động ở trạng thái ngắn mạch và không ngắn mạch, giúp tăng điện áp ngõ ra hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số điều chế (M), tỷ số ngắn mạch (D), độ lợi điện áp (G), vector điện áp không gian, trạng thái đóng ngắt các khóa bán dẫn, và các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu (ngắn mạch và không ngắn mạch).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu khoa học, bài báo chuyên ngành, hội nghị quốc tế về kỹ thuật điện tử công suất và điều khiển, cùng với các phần mềm mô phỏng và thiết bị thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu cấu hình bộ nghịch lưu truyền thống, ZSI và qSBI; phân tích hoạt động mạch tăng áp và các trạng thái đóng ngắt khóa bán dẫn.

• Mô phỏng trên phần mềm PSIM: Thực hiện mô phỏng với các tải R và RL, sử dụng các thông số như điện áp ngõ vào 40 V, tần số sóng mang 10 kHz, tần số sóng điều khiển 50 Hz, chỉ số điều chế 0.7, tỷ số ngắn mạch 0.4, cuộn dây 1 mH, tụ điện 450 µF, tải điện trở 50 Ω và cuộn cảm 50 mH. Mục đích là đánh giá hiệu suất, sóng hài và đặc tính điện áp, dòng điện ngõ ra.

• Thực nghiệm: Lập trình điều khiển trên card DSP TMS320F28355 bằng phần mềm Code Composer Studio (CCS), xây dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu qSBI, đo đạc và phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện, chỉ số THD.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 5/2016 đến tháng 10/2018, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thực nghiệm và tổng hợp kết quả.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế phù hợp với mô hình nghịch lưu qSBI, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất tăng áp của nghịch lưu qSBI với giải thuật SVM2: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp ngõ ra có thể tăng lên đáng kể so với điện áp ngõ vào, với độ lợi điện áp (G) đạt khoảng 1.5 đến 2 lần tùy theo tỷ số ngắn mạch D. Ví dụ, khi D = 0.4, điện áp đỉnh ngõ ra đạt khoảng 60 V so với điện áp ngõ vào 40 V.

2. Giảm số lần chuyển mạch và tổn hao công suất: Phương pháp điều chế vector không gian SVM2 giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn xuống còn 4 lần mỗi chu kỳ điều chế, thấp hơn đáng kể so với các phương pháp PWM truyền thống (có thể lên đến hàng chục lần). Điều này giúp giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện.

3. Cải thiện chất lượng sóng điện áp và dòng điện: Chỉ số méo dạng sóng hài tổng (THD) của điện áp và dòng điện ngõ ra giảm xuống dưới 10%, thấp hơn so với phương pháp Sin PWM (khoảng 15-20%). Dạng sóng điện áp ba pha trên tải RL và R được cải thiện rõ rệt, giúp tăng hiệu quả hoạt động của động cơ và thiết bị tải.

4. Tính ổn định và khả năng hoạt động ở trạng thái ngắn mạch: Bộ nghịch lưu qSBI với giải thuật SVM2 cho phép hoạt động an toàn ở trạng thái ngắn mạch, giúp tích trữ năng lượng hiệu quả trong cuộn dây và tụ điện, đồng thời bảo vệ linh kiện khỏi hư hỏng do ngắn mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực trên là do cấu hình qSBI đơn giản hơn ZSI, giảm số lượng linh kiện như cuộn dây và tụ điện, từ đó giảm tổn hao và kích thước mạch. Giải thuật SVM2 tối ưu hóa việc đóng mở các khóa bán dẫn, giảm số lần chuyển mạch và sóng hài, điều mà các phương pháp PWM truyền thống không làm được.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về nghịch lưu ZSI và các phương pháp điều chế khác, nghiên cứu này chứng minh rằng sự kết hợp qSBI và SVM2 mang lại hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu tăng áp trực tiếp và giảm tổn hao công suất. Kết quả mô phỏng trên PSIM và thực nghiệm trên card DSP TMS320F28355 tương đối khớp nhau, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp, dòng điện, đồ thị chỉ số THD và biểu đồ điện áp đỉnh theo tỷ số ngắn mạch D, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật điều chế vector không gian SVM2 trên bộ nghịch lưu qSBI.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng giải thuật SVM2 trong các hệ thống điều khiển động cơ điện xoay chiều: Động từ hành động: áp dụng; Target metric: giảm tổn hao công suất và tăng tuổi thọ linh kiện; Timeline: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất và các trung tâm nghiên cứu công nghệ.

2. Phát triển các bộ nghịch lưu qSBI tích hợp sẵn giải thuật điều chế vector không gian: Động từ hành động: thiết kế và sản xuất; Target metric: giảm kích thước mạch và chi phí sản xuất; Timeline: 12-18 tháng; Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghệ điện tử và các viện nghiên cứu.

3. Nâng cao đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển vector không gian trong các trường đại học kỹ thuật: Động từ hành động: đào tạo và nghiên cứu; Target metric: tăng số lượng chuyên gia và công trình nghiên cứu; Timeline: liên tục; Chủ thể thực hiện: các trường đại học và viện nghiên cứu.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng giải thuật SVM2 cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc và các hệ thống năng lượng tái tạo: Động từ hành động: nghiên cứu và thử nghiệm; Target metric: nâng cao hiệu suất và độ ổn định hệ thống; Timeline: 2-3 năm; Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử công suất: Giúp hiểu sâu về cấu hình nghịch lưu qSBI và các phương pháp điều chế hiện đại, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Áp dụng kiến thức về giải thuật SVM2 để tối ưu hóa thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

3. Các nhà quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và điều khiển động cơ: Nắm bắt công nghệ mới để lựa chọn giải pháp điều khiển phù hợp, giảm tổn hao và chi phí vận hành.

4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong các trường đại học kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo để cập nhật kiến thức, phát triển chương trình đào tạo và nghiên cứu ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật điều chế vector không gian (SVM) là gì?
   SVM là phương pháp điều khiển tạo ra vector điện áp quay liên tục trên mặt phẳng tọa độ αβ, giúp giảm sóng hài và số lần chuyển mạch khóa bán dẫn, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp ngõ ra.

2. Tại sao chọn cấu hình nghịch lưu qSBI thay vì ZSI?
   qSBI có cấu hình đơn giản hơn với ít linh kiện hơn (một cuộn dây, một tụ điện), giúp giảm kích thước mạch, tổn hao công suất và chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động.

3. Phương pháp SVM2 có ưu điểm gì so với các phương pháp PWM truyền thống?
   SVM2 giảm số lần đóng cắt khóa bán dẫn xuống còn 4 lần mỗi chu kỳ, giảm tổn hao công suất, tăng tuổi thọ linh kiện và giảm sóng hài điện áp, trong khi PWM truyền thống không tối ưu được các yếu tố này.

4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có tương đồng không?
   Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên card DSP TMS320F28355 cho thấy sự tương đồng cao về điện áp ngõ ra, dòng điện và chỉ số THD, chứng tỏ tính khả thi của giải thuật.

5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu có thể ứng dụng trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, xe điện, hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu, giúp tăng hiệu suất, giảm tổn hao và nâng cao độ bền của thiết bị.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và phát triển giải thuật điều chế vector không gian SVM2 cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha cấu hình qSBI, kết hợp ưu điểm của cấu hình mạch và phương pháp điều khiển hiện đại.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh khả năng tăng điện áp ngõ ra, giảm số lần chuyển mạch, giảm sóng hài và tổn hao công suất so với các phương pháp truyền thống.
• Giải thuật SVM2 giúp nâng cao hiệu suất và tuổi thọ linh kiện, đồng thời giảm kích thước và chi phí thiết kế bộ nghịch lưu.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ, xe điện và năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc và phát triển sản phẩm thực tế, kêu gọi các tổ chức, doanh nghiệp hợp tác ứng dụng công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Những năm gần đây các bộ nghịch lưu được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện xoay chiều, các lĩnh vực sản suất công nghiệp [1], [2] nguồn năng lượng mới [3] hệ thống phân phối điện, xe điện, pin nhiên liệu [4]-[10] các ứng dụng được sử dụng trong xe ôtô[11]. Đối với bộ nghịch lưu truyền thống để đạt được điện áp ngõ ra cao hơn ngõ vào để cấp cho từng ứng dụng có nguồn năng lượng thấp như các tấm pin mặt trời, pin nhiên liệu.thì phải thêm bộ tăng áp trước bộ nghịch lưu [12], [13] điều này dẫn đến mạch phải trải qua hai quá trình chuyển đổi, thứ nhất là quá trình chuyển đổi tăng áp dc – dc và thứ hai là quá trình nghịch lưu dc-ac, như vậy cấu hình nghịch lưu truyền thống này sẽ phải sử dụng nhiều linh kiện trong mạch hơn sẽ dẫn đến tăng giá thành mạch thiết kế, tăng kích thước mạch, tăng tổn hao và giảm hiệu suất của toàn hệ thống. Bộ nghịch lưu truyền thống vẫn còn có nhược điểm nữa là các khóa đóng ngắt trên cùng một nhánh không được phép đóng cùng lúc vì nó sẽ làm ngắn mạch nguồn áp một chiều gây hư hỏng thiết bị. Để khắc phục các nhược điểm của nghịch lưu truyền thống như đã kể ở trên hàng loạt các công trình nghiên cứu thiết kế bộ nghịch lưu ra đời tiêu biểu như nghịch lưu nguồn Z (ZSI) [14] đã được áp dụng nhiều trong thực tế.

[15],[16], trình bày ứng dụng của bộ nghịch lưu nguồn Z trong điều khiển xe điện sử dụng acquy hay pin nhiên liệu.[17] so sánh nghịch lưu ZSI cải tiến với nghịch lưu qSBI cải tiến. Dựa vào kết quả phân tích vàso sánh ta thấy cấu hình qSBI có nhiều ưu điểm như: dòng điện qua các khóa bán dẫn công suất vàqua các diode nhỏ hơn, điện áp chịu được trên tụ cũng lớn hơn, hiệu suất cao hơn và hệ số tăng áp lớn hơn .[18] trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha sáu dây bằng hai bộ nghịch lưu nguồn đơn cósử dụng cấu hình qSBI ở mạch tăng áp .[19] trì nh 1 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP bày cấu hình mạch tăng áp (SBI) có kích thước nhỏ gọn hơn mạch tăng áp ở ZSI do chỉ sử dụng một cuộn dây, một tụ điện, hai diode và một khóa bán dẫn công suất, ứng dụng cho hệ thống lưới điện thông minh nhỏ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, điện áp ngõ ra được điều chỉnh lớn hơn hay nhỏ hơn tùy theo điện áp ngõvào chỉ với một quá nh chuyển đổi. [20] cải tiến cấu hình SBI thành qSBI sử dụng cho mạch nghịch lưu trì tăng áp một pha với ưu điểm là giảm điện áp trên tụ, hệ số ngắn mạch được tăng cao hơn và cải thiện dòng điện ngõ vào do đó nó làm giảm kích thước và giảm tổn hao trong mạch, nâng cao hiệu suất của hệ thống. [21] là công trình nghiên cứu mới về nghịch lưu tăng áp bằng chuyển mạch LC của các tác giả NCS Đỗ Đức Trí, TS Nguyễn Minh Khai.

Cùng với đó hiện nay trong nước đã córất nhiều các nghiên cứu về các bộ nghịch lưu có thế kể đến như Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu nghịch lưu đa bậc chuyển tụ điện “ [22] của tác giả Ngô Bắc Biển, Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu, phát triển bộ nghịch lưu đa bậc giảm số lượng công tắc bán dẫn” [23] của tác giả Lương Hoàn Tiến, .Ngoài ra có thể kể đến các cấu hình khác như [24]-[28] với những ưu, nhược điểm khác nhau được ứng dụng khác nhau. [29] các tác giả đã trì nh bày phương pháp pwm điều khiển bộ nghịch lưu kép tăng áp ba pha cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha sáu đầu dây với ưu điểm tăng được điện áp ngõ ra, cho phép hoạt động ở chế độ ngắn mạch sử dụng cho các nguồn năng lượng nhỏ như pin mặt trời, pin nhiên liệu, ắcqui. Trong các bài báo và các cấu hì nh nêu trên thường được sử dụng phương pháp pwm do phương pháp này dễ điều khiển. Tuy nhiên phương pháp pwm còn tồn tại khuyết điểm như không tối ưu để giảm số lần chuyển mạch của các khóa bán dẫn công suất vì vậy dễ làm cho linh kiện nóng dễ hư hỏng, sóng hài trên điện áp và dòng điện ở ngõra còn cao, điện áp xoay chiều ngõ ra bị giới hạn bởi chỉ số điều chế.

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) sẽ khắc phục được các mặt hạn chế của pwm dù thuật toán có phần phức tạp. [30] [31] trì nh bày phương pháp SVM cho bộ nghịch lưu nguồn Z, phương pháp này có ưu điểm là lựa chọn được việc chuyển mạch của các khóa bán dẫn sao cho giảm tối đa việc đóng mở của các khóa bán dẫn từ đó giảm được 2 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP tổn hao công suất trong mạch, giảm sóng hài trên điện áp và dòng điện ở ngõ ra. [32] [33] tống quan về phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu ba pha nguồn Z, so sánh các phương pháp SVM từ đó đưa ra phương pháp có nhiều ưu điểm nhất để điều khiển nghịch lưu ZSI. SVM6, SVM4 cho phép cả ba nhánh khóa bán dẫn của mạch nghịch lưu ngắn mạch trong mỗi chu kỳ điều chế, cho khả năng tăng áp cao nhưng tần số đóng cắt của linh kiện bán dẫn công suất trong một chu kỳ điều chế lớn vì vậy dễ gây tổn thất đến linh kiện đóng cắt.

SVM1 cho phép một nhánh khóa của mạch nghịch lưu bị ngắn mạch, tần số đóng cắt các khóa bán dẫn nhỏ nhưng có hệ số tăng áp nhỏ nhất. SVM2 có hệ số tăng áp cao và cho phép hai nhánh khóa bán dẫn của mạch nghịch lưu ngắn mạch, trong mỗi chu kỳ điều chế khóa bán dẫn chỉ chuyển mạch bốn lần nên sẽ giảm được số lần đóng cắt của các khóa tăng tuổi thọ linh kiện [34]. Từ phân tích ở trên ta thấy cấu hình qSBI ưu điểm hơn ZSI, phương pháp điều khiển SVM2 tốt hơn các phương pháp PWM, SVM4, SVM6, SVM1.Vì Vậy luận văn này trình bày đề tài “Nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha “ đây là sự kết hợp phương pháp điều khiển SVM2 với nghịch lưu qSBI.2 Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là sử dụng phương pháp SVM2 cho bộ nghịch lưu tăng áp qSBI, kết hợp tạo ngắn mạch để đạt được yêu cầu tăng được điện áp ở ngõ ra cao hơn so với điện áp cung cấp ngõ vào.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài  Nghiên cứu các cấu hình nghịch lưu tăng áp, từ đó đưa ra cấu hình tối ưu  Nghiên cứu các phương pháp điều chế cho nghịch lưu tăng áp, từ đó đưa ra phương pháp điều chế tốt hơn  Phân tích mạch, mô phỏng trên PSIM với tải R, RL 3 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP  Lập trình điều khiển dùng card DSP F28335 bằng chương trình CCS (Code Composer Studio).4 Phương pháp nghiên cứu.  Nghiên cứu cấu hình nghịch lưu truyền thống, nghịch lưu tăng áp, các kỹ thuật điều chế PWM, SIN PWM, MODIFIED SPWM, SVM chèn xung ngắn mạch từ tài liệu của các tập chí khoa học, hội nghị chuyên môn, các bài báo trên IEEE, IET…  Phân tích hoạt động của cấu hình qSBI.

 Thực hiện mô phỏng trên PSIM với các thông số khác nhau, từ đó chọn ra các thông số phù hợp.  Tiến hành thực nghiệm, đánh giá, báo cáo kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 1.5 Điểm mới của đề tài.  Nghịch lưu tăng áp qSBI để thay thế ZSI, qSBI đã được sử dụng vàđiều khiển bằng PWM nhưng chưa có công bố nào áp dụng phương pháp điều chế vector không gian 2 cho nghịch lưu này. 4 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng một chiều không đổi sang năng lượng xoay chiều để cấp cho tải xoay chiều.

Tùy theo đại lượng điện ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện mà ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng tương ứng [35]. Nguồn điện áp một chiều có thể là pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, ắcquy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay chiều được lọc phẳng. S1 S2 S3 Nối tải A ba Vdc B pha C xoay chiều S1x S2x S3x Hình 2. 1 Cấu hình nghịch lưu áp truyền thống Linh kiện trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc được điều khiển bằng mạch điều khiển.

Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR. 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 5 Luan van LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên) Bộ nghịch lưu tăng áp ba pha có nhiều loại có thể kể đến như nghịch lưu nguồn Z(Z- Source Inverter), nghịch lưu qSBI (Quasi Switched Boost Inverter), các phương pháp điều khiển như PWM, SIN PWM, MODIFIED SPWM, SVM 2.2 Nghịch lưu tăng áp ba pha 2.1Nghịch lưu nguồn Z (ZSI) Bộ nghịch lưu nguồn Z [14] có khả năng tăng điện áp trực tiếp từ DC/AC, điện áp ngõ ra có thể lớn hơn điện áp đầu vào mà không cần thêm bất kỳ một quá trình biến đổi công suất nào, bộ nghịch lưu nguồn Z cho phép hoạt động ở chế độ ngắn mạch nhánh khóa bán dẫn công suất của mạch nghịch lưu cần điều khiển. Mạng nguồn Z này bao gồm hai cuộn cảm hai tụ điện có giá trị giống nhau và một diode được nối vào giữa nguồn áp và mạch nghịch lưu.

Linh kiện đóng ngắt trong bộ nghịch lưu nguồn Z Hì nh 2.2 giống với bộ nghịch lưu áp Hình 2.1 sử dụng 6 khóa bán dẫn công suất IGBT tức là nó có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò như một công tắc. D L1 S1 S2 S3 Nối tải A ba Vdc VPN B pha C xoay Uc2 C2 Uc1 C1 chiều S1x S2x S3x L2 Mạng nguồn Z Mạch nghịch lưu Hình 2.