Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao cho cấu hình NPC 5 bậc cầu

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao cho cấu hình NPC 5 bậc cầu H, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng.

• Tác giả: Phan Thanh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Quách Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Thuật Nghịch Lưu Giảm Tổn Hao Cho Cấu Hình NPC 5 Bậc Cầu H
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.1.2. Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố
• 1.1.2.1. Các công bố ngoài nước
• 1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.1.4. Mục đích của đề tài
• 1.1.5. Giới hạn của đề tài
• 1.1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.1.7. Điểm mới của đề tài
• 1.1.8. Giá trị thực tiễn của đề tài

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu về giải thuật nghịch lưu đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện, đặc biệt là trong việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo. Cấu hình NPC 5 bậc cầu được sử dụng rộng rãi nhờ vào khả năng cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất là giảm tổn hao do chuyển mạch, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa công nghệ nghịch lưu có thể giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Đặc biệt, việc áp dụng các phương pháp điều chế sóng mang như PWM và SVPWM đã cho thấy hiệu quả trong việc giảm thiểu số lần chuyển mạch, từ đó giảm thiểu tổn hao năng lượng.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên toàn cầu về cấu hình NPC và các phương pháp điều khiển nghịch lưu. Các công trình nghiên cứu từ Mỹ, Úc, và Hàn Quốc đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thuật toán điều chế mới có thể giảm thiểu đáng kể tổn hao do chuyển mạch. Tại Việt Nam, các nghiên cứu gần đây cũng đã tập trung vào việc phát triển các giải pháp tối ưu cho nghịch lưu 5 bậc, với mục tiêu giảm thiểu tổn hao năng lượng và cải thiện hiệu suất. Các nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo.

II. Giải thuật điều chế sóng mang

Giải thuật điều chế sóng mang là một trong những phương pháp quan trọng trong việc điều khiển nghịch lưu. Nghiên cứu này đề xuất một giải thuật mới sử dụng hàm offset để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trong cấu hình NPC 5 bậc cầu. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh điện áp điều khiển sao cho nó đạt được ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu, từ đó giảm thiểu giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang. Kết quả là tổn hao do chuyển mạch được giảm thiểu, giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống. Việc áp dụng giải thuật này đã được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm tổn hao năng lượng.

2.1. Nguyên lý hoạt động của giải thuật

Giải thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset để điều chỉnh các sóng điện áp điều khiển. Khi điện áp điều khiển đạt ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu, số lần chuyển mạch sẽ giảm, từ đó giảm thiểu tổn hao năng lượng. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến tổn hao năng lượng trong quá trình hoạt động của nghịch lưu. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng số lần chuyển mạch có thể giảm đến 30%, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

III. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy giải thuật đề xuất đã đạt được những thành công nhất định trong việc giảm tổn hao do chuyển mạch. Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thực nghiệm với tải điện trở và cuộn cảm, cho thấy rằng tổn hao năng lượng đã giảm đáng kể so với các phương pháp trước đây. Phân tích FFT cho thấy rằng THD (Tổng méo dạng) của điện áp đầu ra cũng được cải thiện, cho thấy chất lượng điện áp đầu ra tốt hơn. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc nâng cao hiệu suất của hệ thống mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác như công nghệ năng lượng tái tạo.

3.1. So sánh với các phương pháp trước đây

So sánh với các phương pháp điều chế trước đây, giải thuật đề xuất cho thấy rõ ràng ưu điểm trong việc giảm số lần chuyển mạch và tổn hao năng lượng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng giải thuật này không chỉ giúp giảm thiểu tổn hao mà còn cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Điều này có thể mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống nghịch lưu trong tương lai, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng nhu cầu về năng lượng sạch và hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử công suất, đặc biệt là các linh kiện bán dẫn như SCR, MOSFET, IGBT, bộ nghịch lưu đa bậc đã trở thành thành phần quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện một chiều sang xoay chiều. Bộ nghịch lưu 5 bậc H-bridge Neutral Point Clamped (H-NPC) được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra, đồng thời giảm kích thước mạch lọc. Tuy nhiên, tổn hao công suất do chuyển mạch của các khóa công suất vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển giải thuật điều chế sóng mang nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch trong cấu hình nghịch lưu 5 bậc H-NPC cầu H. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hàm offset bậc 3 để điều chỉnh điện áp điều khiển, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc với tải điện trở và cuộn cảm, điện áp nguồn 200V, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm tổn hao chuyển mạch, nâng cao hiệu suất bộ nghịch lưu, đồng thời đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra với chỉ số méo dạng hài tổng (THD) phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng bộ nghịch lưu đa bậc trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió và trong điều khiển động cơ điện xoay chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Bộ nghịch lưu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped): Cấu trúc sử dụng các diode kẹp để tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm dv/dt và tần số chuyển mạch trên linh kiện, nâng cao chất lượng sóng điện áp. Bộ nghịch lưu 5 bậc sử dụng ba nguồn DC độc lập và sáu tụ lọc, tạo ra 5 mức điện áp pha khác nhau.

• Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Bao gồm các dạng sóng mang như APOD, PD, POD và các kỹ thuật điều chế như Sin PWM, MSPWM (Modified Sin PWM) và SVPWM (Space Vector PWM). SVPWM được sử dụng để tối ưu hóa biên độ điện áp và giảm sóng hài.

• Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3: Hàm offset được thêm vào điện áp điều khiển nhằm dịch chuyển sóng điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Hàm offset này không làm ảnh hưởng đến thành phần hài bậc 3 trên tải, đảm bảo chất lượng điện áp.

• Tổn hao do chuyển mạch: Tổn hao trên khóa công suất gồm tổn hao dẫn điện và tổn hao chuyển mạch, trong đó tổn hao chuyển mạch phụ thuộc vào số lần chuyển mạch và tích điện áp - dòng điện tại thời điểm chuyển mạch. Giảm số lần chuyển mạch ở pha có dòng tải lớn nhất giúp giảm tổn hao hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC với tải điện trở R=40Ω và cuộn cảm L=100mH, điện áp nguồn DC 200V.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng để đánh giá sóng điện áp, dòng điện, số lần chuyển mạch và THD. Thực nghiệm được thực hiện trên card điều khiển DSP TMS320F28335, lập trình bằng ngôn ngữ C với phần mềm CCS 6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để xác nhận hiệu quả giải thuật.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 2008 đến 2017, bao gồm giai đoạn phát triển giải thuật, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm số lần chuyển mạch: Giải thuật đề xuất giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất trên mỗi pha trong một chu kỳ lên đến khoảng 30% so với phương pháp điều chế truyền thống. Ví dụ, với chỉ số điều chế m=0.1, số lần chuyển mạch giảm rõ rệt, giúp giảm tổn hao chuyển mạch.

2. Giảm tổn hao chuyển mạch: Nhờ giảm số lần chuyển mạch tại các thời điểm có tích điện áp và dòng tải lớn nhất, tổng tổn hao do chuyển mạch giảm đáng kể, làm giảm nhu cầu làm mát và tăng tuổi thọ linh kiện.

3. Chất lượng điện áp đầu ra: THD của điện áp pha tải được duy trì dưới 5%, phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam và các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo hiệu quả vận hành và giảm méo dạng sóng.

4. Tính ổn định và khả năng ứng dụng: Giải thuật sử dụng các phép toán cộng, trừ, nhân, so sánh đơn giản, phù hợp cho điều khiển vòng kín và triển khai trên các bộ vi xử lý DSP với thời gian tính toán nhanh.

Thảo luận kết quả

Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 tập trung dịch chuyển điện áp điều khiển pha có dòng tải lớn nhất về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang. Điều này làm giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao, từ đó giảm tổn hao chuyển mạch tổng thể.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng SVPWM hoặc MSPWM, giải thuật này không chỉ giảm số lần chuyển mạch mà còn giữ được chất lượng điện áp đầu ra tốt. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao, với THD và số lần chuyển mạch thấp hơn đáng kể so với giải thuật Min Common Mode đã được công bố trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ số lần chuyển mạch theo chỉ số điều chế m, biểu đồ THD% và dạng sóng điện áp pha tải, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải thuật. Bảng so sánh tổn hao và THD giữa các giải thuật cũng làm nổi bật ưu điểm của phương pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật trên hệ thống thực tế: Áp dụng giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 trên các bộ nghịch lưu 5 bậc trong hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió để giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp DSP: Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp giải thuật trên các bộ vi xử lý DSP phổ biến, tối ưu hóa thời gian tính toán và khả năng mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác. Thời gian phát triển dự kiến 6-9 tháng, do các nhóm kỹ sư phần mềm và kỹ thuật điện thực hiện.

3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều chế sóng mang và ứng dụng giải thuật giảm tổn hao cho sinh viên và kỹ sư ngành điện tử công suất. Chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật, thời gian triển khai liên tục hàng năm.

4. Mở rộng nghiên cứu cho các cấu hình nghịch lưu khác: Nghiên cứu áp dụng giải thuật cho các bộ nghịch lưu dạng cascade, flying capacitor và các cấu hình đa bậc cao hơn nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn hao trong các ứng dụng công nghiệp. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và giải thuật giảm tổn hao, hỗ trợ học tập và nghiên cứu nâng cao.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất: Tham khảo để áp dụng giải thuật điều chế mới vào thiết kế bộ nghịch lưu, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

3. Doanh nghiệp sản xuất biến tần và hệ thống năng lượng tái tạo: Áp dụng giải thuật để cải thiện hiệu suất hệ thống, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo và giảng dạy chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật điều chế sóng mang với hàm offset bậc 3 là gì?
   Giải thuật này thêm một thành phần điện áp offset bậc 3 vào điện áp điều khiển để dịch chuyển sóng điều khiển về ngưỡng cực đại hoặc cực tiểu của sóng mang, giảm số lần chuyển mạch ở vùng tổn hao cao. Ví dụ, pha có dòng tải lớn nhất sẽ được ưu tiên giảm chuyển mạch nhằm giảm tổn hao.

2. Tại sao giảm số lần chuyển mạch lại quan trọng?
   Số lần chuyển mạch nhiều làm tăng tổn hao chuyển mạch trên các khóa công suất, gây nóng và giảm tuổi thọ linh kiện. Giảm số lần chuyển mạch giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí làm mát và tăng độ tin cậy hệ thống.

3. Giải thuật này có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp đầu ra không?
   Không. Giải thuật giữ THD của điện áp pha tải dưới 5%, phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo chất lượng điện áp và hiệu suất vận hành.

4. Phương pháp nghiên cứu được thực hiện như thế nào?
   Nghiên cứu kết hợp mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC với tải điện trở và cuộn cảm, sử dụng card điều khiển DSP TMS320F28335 để kiểm chứng hiệu quả giải thuật.

5. Giải thuật có thể áp dụng cho các cấu hình nghịch lưu khác không?
   Có thể. Mặc dù nghiên cứu tập trung vào nghịch lưu 5 bậc H-NPC, nguyên lý điều chỉnh điện áp điều khiển dựa trên dòng tải lớn nhất có thể mở rộng cho các cấu hình nghịch lưu đa bậc khác như cascade hoặc flying capacitor.

Kết luận

• Đã phát triển thành công giải thuật điều chế sóng mang sử dụng hàm offset bậc 3 nhằm giảm tổn hao do chuyển mạch cho bộ nghịch lưu 5 bậc H-NPC.
• Giải thuật giảm số lần chuyển mạch lên đến khoảng 30%, đồng thời duy trì THD điện áp đầu ra dưới 5%.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy tính khả thi và hiệu quả của giải thuật.
• Giải thuật có tính toán đơn giản, phù hợp triển khai trên các bộ vi xử lý DSP trong điều khiển vòng kín.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng giải thuật trong các hệ thống năng lượng tái tạo và điều khiển động cơ xoay chiều.

Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên triển khai thử nghiệm giải thuật trên hệ thống thực tế, đồng thời phát triển phần mềm điều khiển tích hợp để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 lưu khác nhau.Khi đưa vào thực nghiệm thì điều mà ta quan tâm nhất đó là tổn hao công suất điện, mà tổn hao công suất điện chủ yếu là tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất. Do đó vấn đề của chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu giải thuật giảm tổn hao do chuyển mạch. Để giải quyết được vấn đề trên đề tài : “Nghiên cứu giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình NPC 5 bậc cầu H” đã được đề xuất.3 Mục đích của đề tài. - Nghiên cứu và mô phỏng giải thuật nghịch lưu giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình NPC 5 bậc cầu H trên phần mềm PSIM.

- Xây dựng mô hình và lấy kết trên mô hình thực nghiệm card điều khiển DSP F28335 với tải là điện trở và cuộn dây. - So sánh tổn hao do chuyển mạch của giải thật đề xuất với các kết quả đã công bố trước đó. So sánh THD của giải thuật đề xuất với tiêu chuẩn Việt Nam từ đó đưa ra kết luận.4 Giới hạn của đề tài. - Đề tài được mô phỏng trên phần mềm PSIM.

- Đề tài được thực hiện trên mô hình thực nghiệm cấu hình NPC 5 bậc cầu H và lập trình C cho card DSP F28335 bằng phần mềm CCS 6. - Đề tài thực hiện với tải là điện trở và cuộn dây. - Điện áp nguồn cung cấp là 200V.5 Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lưu đa bậc.

- Ứng dụng kỹ thuật điều chế xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử dụng phần mềm PSIM cho bộ nghịch lưu ba pha năm bậc H-NPC. - Thực hiện giải thuật mới trên mô hình nghịch lưu 5 bậc H-NPC. - So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của giải thuật đề xuất, so sánh kết quả đề xuất với các kết quả trước đó, so sánh kết quả của giải thuật đề xuất vớicác TCVN để rút ra các kết luận trong việc ứng dụng thực tế nghịch lưu 5 bậc H- NPC. Trang 4 Luan van Chương 1 1.6 Điểm mới của đề tài.

- Đề tài đã sử giải thuật mới để giảm tổn hao do chuyển mạch cho cấu hình nghịch lưu 3 pha NPC 5 bậc cầu H. - Đề tài sử dụng giải thuật điều khiển vòng kín nên việc điều khiển và kiểm soát ngõ ra dễ dàng và chính xác.7 Giá trị thực tiễn của đề tài. - Ứng dụng tạo bộ nguồn điện áp 3 pha dùng năng lượng mặt trời, năng lượng gió. - Ứng dụng làm bộ biến tần để điều khiển các động cơ 3 pha.

- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất. Trang 5 Luan van Chương 2 Chương 2.1Tổ ng quan về nghich ̣ lưu.1Khái niệm nghịch lưu. Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần.

Ứngdụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lưucòn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên.

Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điềukhiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dungkháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào Trang 6 Luan van Chương 2 điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện ápmạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là IGBT.2Phân loạivà phương pháp điều khiển nghịch lưu. Bộ nghịch lưu có nhiều cách phân loại cũng như nhiều phương pháp điều khiển khác nhau.

- Phân loại theo số pha : nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha. - Phân loại 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) - Phân loại theo cấu hình bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade converter), dạng diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lưu tụ kẹp (Flying capacitor converter), các loại nghịch lưu lai … 2.2Phương pháp điều khiển. - Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM). - Phương pháp điều chế độ rộng xung sin cải biến (Modifield SPWM).

- Phương pháp điều chế vector không gian ( SVPWM – Carrier Based PWM ).2 Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu NPC (Neutral Point Clamped). Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt được n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là n+1 bậc. Trang 7 Luan van Chương 2 Hình 2.1:Bô ̣ nghich ̣ lưu áp da ̣ng NPC.

Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu đa bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nữa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor inverter). ̣ lưu áp da ̣ng ke ̣p tu ̣.2:Bô ̣ nghich Trang 8 Luan van Chương 2  Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là: + Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc.

+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể điều tiết được phân bố công suất trong lưới dùng biến tần.  Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là: + Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm. + Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao.3Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng Cascade. Sử du ̣ng các nguồn DC riêng, thích hơ ̣p cho trường hơ ̣p sử du ̣ng nguồ n DC có sẵn, ví dụ : dưới da ̣ng acquy, pin.

Bô ̣ nghich ̣ lưu Cascad gồ m nhiề u bô ̣ nghich ̣ lưu áp cầ u H mô ̣t pha ghép nố i tiếp với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (- Vd/2, -2*Vd/2, .-n*Vd/2); n mức điện áp dương (Vd/2, 2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich lưu (2n+1) bậc.

Tần số đóng ngắt trong một linh kiện có thể giảm đi n lần, và dv/dt cũng vậy. Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp. Ngoài ra còn có dạng ghép từ ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha, cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module.

Tuy nhiên cần sử dụng biến áp ở ngõ ra. Trang 9 Luan van Chương 2 Hình 2.3:Bô ̣ nghich ̣ lưu áp đa bâ ̣c da ̣ng cascade. Trong các dạng sơ đồ vừa nêu trên tuy mỗi sơ đồ đều có những ưu và nhược điểm riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là dạng Cascade và dạng NPC vì sơ đồ dùng tụ khó thực hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với mức điện áp khác nhau khi mạch làm việc với số bậc lớn. Trong đề tài này tác giả chỉ phân tích và ứng dụng bộ nghịch lưu áp dạng sơ đồ cấu trúc dạng NPC5 bậc.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu đa bậc.1 Các dạng song mang dùng trong kỹ thuật PWM.

 Hai sóng mang kế cận liên tiếp nhau sẽ bị dịch 180 độ - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) Hình 2.4:Dạng song mang APOD.  Bố trí cùng pha – PD (In Phase Disposition): tất cả các sóng mang đều cùngpha. Trang 10 Luan van Chương 2 Hình 2.5: Dạng sóng mang PD.  Bố trí đối xứng qua trục zero – POD (Phase Opposition Disposition): các sóng mang nằm trên trục zero sẽ cùng pha nhau, ngược lại các sóng mang cùng nằm dưới trục zero sẽ bị dịch đi 180 độ.6: Dạng sóng mang POD.2Phương pháp điều chế độ rộng xungPWM.1Phương pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM [1].

Phương pháp này sử dụng sóng điều chế (điều khiển) dạng sin để so sánh với các sóng mang dạng tam giác tạo giản đồ kích đóng cho linh kiện. Đối với bộ nghịch lưu n bậc, số sóng mang được sử dụng là n-1, chúng có cùng tần số fc và biện độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều khiển có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang.