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 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 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 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 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 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. 2 Cấu hình bộ nghịch lưu nguồn Z - Trạng thái hoạt động Bộ nghịch lưu nguồn Z có hai trạng thái chính xuất hiện trong mạch là trạng thái 6 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP “không ngắn mạch” và “ngắn mạch” .