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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Tường Duy Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Khai
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. 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 Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH SÁCH KÝ HIỆU
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• 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
• 2.2.1. Nghịch lưu nguồn Z (ZSI)
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 2 CHO BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP (qSBI)
• 3.1. Mẫu xung trong điều chế vector không gian cho nghịch lưu qSBI
• 3.2. Mẫu xung theo phương pháp SVM2 trong các sector
• 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 về nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian

Nghiên cứu về giải thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu tăng áp ba pha đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện tử. Với sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo, việc tối ưu hóa hiệu suất của các bộ nghịch lưu là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi điện năng.

1.1. Tầm quan trọng của nghịch lưu tăng áp ba pha

Nghịch lưu tăng áp ba pha đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các thiết bị công nghiệp và hệ thống năng lượng tái tạo. Việc sử dụng nghịch lưu ba pha giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.

1.2. Giới thiệu về giải thuật điều chế vector không gian

Giải thuật điều chế vector không gian (SVM) là một phương pháp tiên tiến giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển nghịch lưu. Phương pháp này cho phép điều khiển chính xác các khóa bán dẫn, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất và sóng hài.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu nghịch lưu tăng áp

Mặc dù nghịch lưu tăng áp ba pha mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn. Các vấn đề như tổn thất công suất, kích thước mạch lớn và hiệu suất thấp cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa thiết kế mạch và phương pháp điều khiển là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

2.1. Tổn thất công suất trong nghịch lưu

Tổn thất công suất là một trong những vấn đề chính trong các bộ nghịch lưu. Việc sử dụng nhiều linh kiện trong mạch dẫn đến tổn thất lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống.

2.2. Kích thước mạch và chi phí sản xuất

Kích thước mạch lớn không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn ảnh hưởng đến tính khả thi trong việc ứng dụng thực tế. Cần có các giải pháp thiết kế mạch tối ưu hơn để giảm thiểu vấn đề này.

III. Phương pháp điều chế vector không gian cho nghịch lưu tăng áp

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM2) được áp dụng cho nghịch lưu tăng áp ba pha nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất. Phương pháp này cho phép điều khiển chính xác các khóa bán dẫn, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Cấu hình mạch nghịch lưu tăng áp

Cấu hình mạch nghịch lưu tăng áp (qSBI) được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu kích thước mạch. Việc sử dụng cấu hình này giúp giảm tổn thất công suất và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

3.2. Phân tích hoạt động của phương pháp SVM2

Phương pháp SVM2 cho phép điều khiển các khóa bán dẫn một cách hiệu quả, từ đó giảm thiểu số lần chuyển mạch và tổn thất công suất. Phân tích hoạt động của phương pháp này cho thấy rõ những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng giải thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu tăng áp ba pha mang lại nhiều lợi ích. Các mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu suất của hệ thống được cải thiện đáng kể, đồng thời giảm thiểu tổn thất công suất.

4.1. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM

Mô phỏng trên phần mềm PSIM cho thấy các thông số hoạt động của hệ thống được cải thiện rõ rệt khi áp dụng phương pháp SVM2. Các kết quả này chứng minh tính khả thi của phương pháp trong thực tế.

4.2. Thực nghiệm trên mô hình điều khiển

Thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng card DSP TMS320F28355 cho thấy hiệu suất của hệ thống đạt được như mong đợi. Các kết quả thực nghiệm khẳng định tính hiệu quả của giải thuật điều chế vector không gian.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về giải thuật điều chế vector không gian cho nghịch lưu tăng áp ba pha đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực điều khiển nghịch lưu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa trong công nghiệp và năng lượng tái tạo.

5.1. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa các phương pháp điều khiển và thiết kế mạch. Việc nghiên cứu các cấu hình mới và cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Giải thuật điều chế vector không gian có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như năng lượng tái tạo, xe điện và các hệ thống điện thông minh. Việc mở rộng ứng dụng sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, các nguồn năng lượng tái tạo như pin quang điện mặt trời, pin nhiên liệu và hệ thống lưu trữ trên xe điện đang phát triển mạnh mẽ với tốc độ tăng trưởng hơn 15% mỗi năm. Tuy nhiên, các nguồn phát này thường tạo ra điện áp một chiều ở mức thấp, đòi hỏi phải có các bộ biến đổi công suất để nâng áp và nghịch lưu thành dòng xoay chiều tiêu chuẩn. Bộ nghịch lưu nguồn áp truyền thống chỉ có khả năng giảm áp, buộc hệ thống phải sử dụng thêm một tầng chuyển đổi tăng áp phụ trợ, làm tăng khoảng 20% đến 25% kích thước mạch, phát sinh tổn thất đóng cắt và giảm hiệu suất toàn hệ thống. Hơn nữa, cấu hình truyền thống tiềm ẩn nguy cơ ngắn mạch nhánh van công suất khi hai khóa trên cùng một nhánh vô tình mở cùng lúc, dễ dẫn đến cháy nổ thiết bị.

Nghịch lưu nguồn Z đã ra đời để giải quyết bài toán trên nhờ khả năng cho phép trạng thái ngắn mạch đồng thời hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh nhằm tăng áp trực tiếp qua một tầng biến đổi. Dẫu vậy, mạch nguồn Z tiêu tốn đến 2 cuộn cảm và 2 tụ điện, khiến giá thành sản xuất cao và thể tích mạch cồng kềnh. Để khắc phục triệt để các hạn chế này, đề tài nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu tăng áp ba pha tập trung vào sự kết hợp giữa cấu hình nghịch lưu tăng áp Quasi Switched Boost Inverter và thuật toán điều chế vector không gian bậc 2. Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D405 thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi là nâng điện áp ngõ vào 40V một chiều lên điện áp xoay chiều ba pha 75V hiệu dụng với công suất định mức 203W, đồng thời giảm khoảng 33% số lần chuyển mạch so với các kỹ thuật vector không gian thông thường, mang lại hiệu suất chuyển đổi vượt trội cho các hệ thống nguồn phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết trụ cột trong kỹ thuật điện tử công suất hiện đại: lý thuyết cấu hình nghịch lưu biến đổi một tầng và lý thuyết điều chế vector không gian nhiều trạng thái. Cấu hình Quasi Switched Boost Inverter là sự cải tiến đột phá từ mạch Switched Boost Inverter truyền thống, chỉ sử dụng duy nhất 1 cuộn cảm 1mH, 1 tụ điện 450 microFarad, 2 diode công suất và 7 khóa bán dẫn cách ly. Khung lý thuyết này giải thích rõ cơ chế tích lũy năng lượng từ thông trong cuộn cảm khi mạch ở trạng thái ngắn mạch với khoảng thời gian xác định, sau đó xả năng lượng này cùng với nguồn một chiều để nạp cho tụ điện trong khoảng thời gian không ngắn mạch.

Về mặt giải thuật, lý thuyết điều chế vector không gian trên mặt phẳng phức hai chiều phân chia không gian vector điện áp thành 6 sector với độ mở 60 độ mỗi vùng. Thay vì chỉ có 8 trạng thái vector như nghịch lưu áp cổ điển (gồm 6 vector tích cực có biên độ bằng hai phần ba điện áp nguồn và 2 vector không), cấu hình mới tích hợp thêm trạng thái ngắn mạch nhánh van được kích hoạt tại thời điểm thực hiện vector không hoặc thời điểm chuyển mạch. Ba khái niệm trung tâm chi phối toàn bộ hoạt động của hệ thống bao gồm: hệ số tăng áp đạt mức 4.6 lần, tỷ số ngắn mạch chu kỳ dao động quanh giá trị 0.2 và chỉ số điều chế biên độ được thiết lập ở ngưỡng 0.7.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích, mô phỏng số học và thực nghiệm phần cứng trên mô hình vật lý. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình công suất tải thực bao gồm 2 cấu hình mẫu: tải thuần trở 50 Ohm công suất 200W và tải trở cảm với điện trở 50 Ohm kết hợp cuộn cảm 50mH. Phương pháp chọn mẫu tải này đảm bảo khả năng khảo sát toàn diện cả hai chế độ làm việc đặc trưng của thiết bị trong công nghiệp là tải tiêu tán năng lượng thuần túy và tải có tính chất cảm kháng phản kháng.

Phương pháp phân tích số học sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM với khối liên kết thư viện động C DLL để mô hình hóa chính xác các phương trình vi phân trạng thái đóng cắt ở tần số sóng mang 10kHz. Trên mô hình thực tế, giải thuật điều chế vector không gian bậc 2 được nhúng trực tiếp vào bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 kết hợp với card FPGA Cyclone II EP2C5T144, điều khiển các van công suất IGBT G30N60B30 và diode DSEI30-06A qua bộ nguồn cách ly DCH01. Quá trình nghiên cứu được triển khai theo lộ trình xuyên suốt từ khâu phân tích toán học, lập trình mô phỏng đến kiểm thử thực nghiệm trong khung thời gian 8 tháng, đảm bảo tính lặp lại và độ chính xác của mọi thông số đo đạc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên phần mềm PSIM và thử nghiệm thực tế trên mô hình phần cứng đã mang lại những kết quả kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, hệ thống đã chứng minh khả năng nâng áp vượt bậc qua một tầng biến đổi duy nhất. Với điện áp đầu vào một chiều danh định 40V, điện áp trên tụ điện và điện áp đỉnh trước nghịch lưu đạt mức 184V, tạo ra hệ số tăng áp thực tế đạt 4.6 lần. Điện áp dây ngõ ra đạt giá trị hiệu dụng 130V và điện áp pha hiệu dụng đo được trên tải đạt chuẩn 75V ở tần số công nghiệp 50Hz, đáp ứng công suất tải 203W.

Thứ hai, giải thuật điều chế vector không gian bậc 2 thể hiện ưu thế vượt trội về việc tối ưu hóa tần số đóng cắt của van bán dẫn. Bằng cách phân bổ trạng thái ngắn mạch đối xứng qua hai nửa chu kỳ điều chế, mỗi khóa công suất chỉ phải thực hiện 4 lần chuyển mạch trong một chu kỳ lấy mẫu, giảm 33.3% số lần đóng cắt so với phương pháp vector không gian bậc 6 và bậc 4 vốn yêu cầu tới 6 lần chuyển mạch.

Thứ ba, chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra được cải thiện rõ rệt. Dòng điện qua cuộn dây có độ nhấp nhô đỉnh - đỉnh duy trì ở mức 2A, dòng điện hiệu dụng qua cuộn cảm đạt 1.42A đúng theo tính toán lý thuyết. Dạng sóng điện áp và dòng điện ba pha ngõ ra có dạng hình sin mượt mà, độ méo dạng sóng hài tổng được kiểm soát ở mức thấp, loại bỏ hoàn toàn các thành phần sóng hài bậc cao gây nóng động cơ.

Thảo luận kết quả

Sự thành công của cấu hình và giải thuật bắt nguồn từ cơ chế điều chế đối xứng qua từng sector, giúp cân bằng hoàn hảo quá trình tích phóng năng lượng giữa cuộn cảm 1mH và tụ điện 450 microFarad. Khi so sánh với phương pháp điều chế độ rộng xung sin cổ điển và phương pháp sin cải biến, giải thuật vector không gian bậc 2 giúp hệ số tăng áp cao hơn khoảng 18% và chỉ số méo hài tổng giảm hơn 20%. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua biểu đồ phân tích phổ tần số Fourier trên phần mềm mô phỏng và các dạng sóng đo trực tiếp trên máy hiện sóng oscilloscope số 4 kênh. Bảng thống kê so sánh giữa kết quả giải tích, mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số biên độ điện áp không vượt quá 3.2%, khẳng định mô hình toán học đã phản ánh chính xác 100% bản chất vật lý của hệ thống chuyển mạch công suất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong ngành sản xuất công nghiệp và năng lượng tái tạo, các giải pháp kỹ thuật sau đây được đề xuất:

Tích hợp linh kiện bán dẫn công nghệ vật liệu mới: Thay thế toàn bộ 7 khóa bán dẫn IGBT truyền thống bằng các linh kiện chất bán dẫn vùng cấm rộng như SiC MOSFET hoặc GaN. Giải pháp này giúp nâng tần số chuyển mạch từ 10kHz lên mức 50kHz đến 100kHz, cho phép giảm kích thước cuộn cảm từ 1mH xuống còn 0.2mH và giảm dung lượng tụ điện xuống dưới 100 microFarad trong vòng 6 tháng tới do nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng chủ trì.

Cải tiến giải thuật điều khiển vòng kín: Phát triển bổ sung các bộ điều khiển số hiện đại như điều khiển trượt thích nghi hoặc điều khiển dự báo dòng điện dựa trên mô hình nhằm duy trì điện áp ngõ ra ổn định ở mức sai số dưới 1% khi điện áp nguồn đầu vào dao động từ 20V đến 60V, do các chuyên gia tự động hóa triển khai trong 9 tháng.

Ứng dụng trong các trạm biến tần năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ: Mở rộng thiết kế mạch công suất từ 203W lên dải công suất 1kW đến 5kW phục vụ trực tiếp cho các hệ thống điện mặt trời áp mái và trạm sạc xe điện, nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng lên trên 95% trong lộ trình 12 tháng của các doanh nghiệp sản xuất biến tần.

Hoàn thiện cấu trúc tản nhiệt và mạch bảo vệ quá dòng: Thiết kế mạch dập xung điện áp chuyên dụng và cảm biến giám sát nhiệt độ trực tiếp trên van ngắn mạch nhằm bảo đảm thiết bị vận hành liên tục trên 10000 giờ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt trước quý 2 năm tới do đội ngũ kỹ thuật vận hành phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Điện tử công suất: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích toán học các bộ nghịch lưu tăng áp một tầng, hỗ trợ xây dựng giáo trình giảng dạy chuyên sâu và phát triển các đề tài khoa học cấp cao hơn.

Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng tại các doanh nghiệp xe điện: Ứng dụng mô hình tính toán mạch tăng áp và sơ đồ kích van công suất để chế tạo các bộ kích nguồn nhỏ gọn cho hệ thống truyền động động cơ xoay chiều ba pha trên ô tô điện.

Các công ty sản xuất thiết bị năng lượng tái tạo: Tiếp cận giải pháp công nghệ mới giúp giảm chi phí sản xuất phần cứng khoảng 15% đến 20% thông qua việc cắt giảm số lượng linh kiện thụ động đắt tiền trong các bộ biến tần hòa lưới quang điện.

Kỹ sư lập trình nhúng và tự động hóa: Khảo sát chi tiết phương pháp lập trình điều khiển thời gian thực trên vi điều khiển DSP TMS320F28335 kết hợp FPGA Cyclone II, làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho các dự án điều khiển số van bán dẫn.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm nổi bật nhất của cấu hình nghịch lưu tăng áp Quasi Switched Boost Inverter so với nghịch lưu nguồn Z là gì? Cấu hình Quasi Switched Boost Inverter đã giảm thiểu số lượng linh kiện thụ động đắt tiền từ 2 cuộn cảm và 2 tụ điện của mạch nguồn Z xuống chỉ còn duy nhất 1 cuộn cảm 1mH và 1 tụ điện 450 microFarad. Điều này giúp giảm đáng kể thể tích mạch, hạ giá thành sản xuất và giảm điện áp chịu đựng trên tụ.

Tại sao giải thuật điều chế vector không gian bậc 2 lại tối ưu hơn phương pháp điều chế độ rộng xung thông thường? Giải thuật vector không gian bậc 2 chủ động lựa chọn quy luật chuyển đổi trạng thái của các khóa bán dẫn, giúp giảm số lần chuyển mạch xuống chỉ còn 4 lần trong một chu kỳ lấy mẫu. Nhờ đó, phương pháp này tiết kiệm khoảng 33% tổn hao năng lượng đóng cắt so với phương pháp xung sin và làm giảm đáng kể độ méo hài tổng.

Trạng thái ngắn mạch nhánh van trong bộ nghịch lưu có gây nguy hiểm cho hệ thống không? Trong cấu hình này, trạng thái ngắn mạch là một chế độ hoạt động có chủ đích được kiểm soát nghiêm ngặt trong khoảng thời gian tỷ số ngắn mạch 0.2 của chu kỳ điều chế. Năng lượng ngắn mạch được cuộn cảm 1mH hấp thụ an toàn để tích lũy từ thông phục vụ quá trình nâng áp, hoàn toàn không gây ngắn mạch nguồn cấp hay làm hỏng van bán dẫn.

Hệ thống điều khiển thực nghiệm sử dụng những thiết bị phần cứng nào? Mô hình thực nghiệm được xây dựng hoàn chỉnh với bộ xử lý tín hiệu số 32-bit DSP TMS320F28335 đảm nhận việc tính toán góc và thời gian vector, phối hợp cùng card FPGA Cyclone II EP2C5T144 để phát xung kích chính xác đến 7 van công suất IGBT G30N60B30 qua bộ nguồn cách ly DCH01.

Hệ số tăng áp 4.6 lần của mạch được xác định dựa trên những yếu tố nào? Hệ số tăng áp phụ thuộc trực tiếp vào tỷ số ngắn mạch chu kỳ theo công thức giải tích. Với thiết lập tỷ số ngắn mạch bằng 0.2 và chỉ số điều chế bằng 0.7, điện áp một chiều 40V đầu vào được nâng lên thành 184V trước khi đưa vào cầu nghịch lưu để tạo ra điện áp xoay chiều hiệu dụng 75V trên tải.

Kết luận

• Công trình đã nghiên cứu thành công cấu hình nghịch lưu tăng áp một tầng Quasi Switched Boost Inverter, tối ưu hóa phần cứng khi chỉ dùng 1 cuộn cảm và 1 tụ điện.
• Xây dựng và hiện thực hóa thành công giải thuật điều chế vector không gian bậc 2, giúp cắt giảm 33% số lần đóng cắt van công suất và nâng cao tuổi thọ linh kiện.
• Kiểm chứng trọn vẹn lý thuyết qua mô phỏng PSIM và thực nghiệm phần cứng với điện áp đầu vào 40V, tạo ra điện áp ra 75V hiệu dụng ở công suất định mức 203W.
• Đảm bảo chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra đạt tiêu chuẩn cao với độ nhấp nhô dòng cuộn cảm chỉ 2A và chỉ số méo hài tổng được tối ưu hóa triệt để.
• Mở ra giải pháp kỹ thuật giàu tiềm năng ứng dụng cho các hệ thống pin mặt trời, pin nhiên liệu và hệ thống truyền động xe điện hiện đại.

Kế hoạch phát triển tiếp theo là hoàn thiện vòng điều khiển kín phản hồi dòng áp và nâng công suất thử nghiệm lên mức 3kW trong vòng 12 tháng tới. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể ứng dụng ngay cấu hình phần cứng và giải thuật điều khiển này để thương mại hóa các dòng sản phẩm biến tần tăng áp hiệu suất cao.

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 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” .