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 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 - 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 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 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 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 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 Xét một pha x của bộ nghịch lưu cascade 3 pha 5 bậc: Hình 2. 3: Sơ đồ mạch nghịch lưu cascade 1 pha 5 bậc.