Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu điều khiển giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích hcmute nghiên cứu điều khiển giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Phạm Thị Kim Thê
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Giảm Điện Áp Common Mode Cho Nghịch Lưu Cascade
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 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. Tổng quan về nghịch lưu đa bậc Cascade
• 2.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ nghịch lưu 5 bậc Cascade
• 2.3. Kỹ thuật điều khiển bộ biến tần 5 bậc Cascade
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Sơ đồ chung hệ thống mạch công suất
• 3.2. Khối điều khiển và các thành phần khác
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC CASCADE
• 4.1. Xây dựng giải thuật giảm điện áp Common mode
• 4.2. Mô phỏng biết tần 5 bậc Cascade
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM GIẢM COMMON-MODE TRÊN MÔ HÌNH CASCADE 5 BẬC VỚI KỸ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG
• 5.1. Mô tả thực nghiệm bằng kỹ thuật nhúng
• 5.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink
• 5.3. Kết quả thực nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu về giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade tại HCMUTE đã chỉ ra tầm quan trọng của việc kiểm soát điện áp common mode trong các ứng dụng công nghiệp. Nghịch lưu cascade là một cấu trúc phổ biến trong các hệ thống điện tử công suất, cho phép cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng. Tuy nhiên, việc phát sinh điện áp common mode trong quá trình chuyển mạch có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho tải. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp để giảm thiểu điện áp common mode mà không làm giảm hiệu suất của hệ thống. Theo đó, việc áp dụng các vector điều chế cho phép tạo ra điện áp common mode thấp hơn là một trong những phương pháp chính được đề xuất.

1.1. Mục đích của đề tài

Mục đích chính của nghiên cứu này là phát triển một giải pháp hiệu quả để giảm điện áp common mode trong bộ nghịch lưu cascade. Nghiên cứu sẽ sử dụng các kỹ thuật điều chế hiện đại, bao gồm kỹ thuật sóng mang và SPWM, nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển. Việc giảm thiểu điện áp common mode không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. Đề tài cũng hướng đến việc xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các lý thuyết đã được phát triển, từ đó cung cấp một cái nhìn sâu sắc về ứng dụng thực tiễn của các giải pháp này.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến nghịch lưu cascade và điện áp common mode. Nghịch lưu cascade là một cấu trúc mạch điện cho phép chuyển đổi điện năng từ DC sang AC với nhiều bậc, giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Việc sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, điện áp common mode có thể phát sinh do các quá trình chuyển mạch, gây ra các vấn đề về nhiễu và hiệu suất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các vector điều chế cho phép giảm thiểu điện áp common mode một cách hiệu quả, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống.

2.1. Tổng quan về nghịch lưu đa bậc Cascade

Nghịch lưu đa bậc cascade là một trong những giải pháp tối ưu cho việc chuyển đổi điện năng trong các ứng dụng công nghiệp. Cấu trúc này cho phép tạo ra điện áp đầu ra cao hơn mà không cần tăng điện áp đầu vào. Việc sử dụng nhiều bậc trong nghịch lưu cascade giúp cải thiện chất lượng điện áp và giảm thiểu điện áp common mode. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều chế hiện đại có thể giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và độ tin cậy trong hoạt động.

III. Phân tích bài toán giảm điện áp Common mode

Chương này tập trung vào việc phân tích các phương pháp giảm điện áp common mode trong bộ nghịch lưu cascade. Việc phát sinh điện áp common mode trong quá trình chuyển mạch có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho tải, bao gồm nhiễu và giảm hiệu suất. Nghiên cứu đã phát triển một giải thuật đơn giản dựa trên kỹ thuật sóng mang để kiểm soát và giảm điện áp common mode. Giải thuật này cho phép điều chỉnh điện áp trong vùng tuyến tính và quá điều chế, từ đó giảm thiểu tác động của điện áp common mode. Các mô phỏng và thực nghiệm đã được thực hiện để chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này.

3.1. Xây dựng giải thuật giảm điện áp Common mode

Giải thuật giảm điện áp common mode được xây dựng dựa trên nguyên tắc sử dụng các vector điều chế cho phép. Các vector này được thiết kế để tạo ra điện áp common mode thấp nhất có thể trong quá trình chuyển mạch. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các vector điều chế này không chỉ giúp giảm thiểu điện áp common mode mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Các mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK đã được thực hiện để kiểm chứng tính hiệu quả của giải thuật, cho thấy sự giảm đáng kể trong điện áp common mode khi áp dụng giải pháp này.

IV. Thực nghiệm giảm Common mode trên mô hình Cascade

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm về việc giảm điện áp common mode trên mô hình cascade 5 bậc. Các thí nghiệm được thực hiện trên phần cứng với IGBT STGW40N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật điều khiển đã giúp giảm thiểu điện áp common mode một cách hiệu quả. Các số liệu thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng, cho thấy sự tương đồng cao giữa lý thuyết và thực tiễn. Điều này chứng tỏ rằng giải pháp đề xuất có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Mô tả thực nghiệm bằng kỹ thuật nhúng

Thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật lập trình nhúng trên vi xử lý DSP TMS320F28335. Mô hình thực nghiệm được xây dựng để kiểm tra hiệu quả của giải thuật giảm điện áp common mode. Các kết quả thu được cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật này đã giúp giảm thiểu đáng kể điện áp common mode trong quá trình hoạt động của bộ nghịch lưu cascade. Các số liệu thực nghiệm được ghi nhận và phân tích để đánh giá hiệu quả của giải pháp, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bộ nghịch lưu đa bậc là một thành phần quan trọng trong ngành điện tử công suất, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện, gia nhiệt cảm ứng, điện phân và nhiều thiết bị công nghiệp khác. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc giúp nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra, đồng thời giảm tổn hao công suất so với nghịch lưu hai bậc truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là điện áp common-mode (CMV) sinh ra trong quá trình đóng ngắt các linh kiện bán dẫn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tải và thiết bị, như làm giảm tuổi thọ động cơ do dòng rò và nhiễu điện từ.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc, sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên kỹ thuật vector không gian và sóng mang. Mục tiêu cụ thể là xây dựng giải thuật điều khiển đơn giản, hiệu quả, có khả năng giảm CMV trong cả vùng điều chế tuyến tính và quá điều chế, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng và thực nghiệm trên phần cứng với tải RL. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc cascade, sử dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 và linh kiện IGBT STGW40N120K, tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra, giảm điện áp common-mode khoảng 50%, giảm sóng hài và nhiễu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị điện. Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp và giáo dục, hỗ trợ sinh viên, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực điện tử công suất và tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

• Bộ nghịch lưu đa bậc cascade: Cấu trúc gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu H một pha nối tiếp, tạo ra điện áp ngõ ra đa bậc (2n+1 mức). Bộ nghịch lưu 5 bậc gồm 4 khóa bán dẫn mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp (-2Vd, -Vd, 0, Vd, 2Vd). Ưu điểm là giảm điện áp đặt lên linh kiện, giảm tần số đóng ngắt và dv/dt, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.

• Điện áp common-mode (CMV): Là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò và nhiễu điện từ. CMV được tính theo công thức:
  $$ U_{NO} = \frac{U_{AO} + U_{BO} + U_{CO}}{3} $$.
  Mục tiêu là giới hạn CMV trong khoảng thấp nhất, thường là -Vd/3, 0, Vd/3.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM:

  • SPWM (Sinusoidal PWM): Sử dụng sóng mang tam giác và sóng điều khiển sin để tạo xung kích cho các khóa bán dẫn.
  • CPWM (Carrier-based PWM): Sử dụng nhiều sóng mang với biên độ khác nhau hoặc một sóng mang chuẩn kết hợp với các sóng điều khiển phân tách để điều khiển các cặp khóa.
  • Vector không gian (SVPWM): Biểu diễn điện áp ba pha dưới dạng vector không gian, xác định các trạng thái đóng ngắt linh kiện tương ứng với các vector điện áp, từ đó điều khiển chính xác điện áp đầu ra và giảm CMV.

• Giải thuật giảm điện áp common-mode: Dựa trên việc lựa chọn các vector "cho phép" có điện áp CMV thấp trong vùng điều chế, sử dụng kỹ thuật sóng mang để điều chỉnh điện áp offset, giới hạn CMV trong phạm vi an toàn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu:

  • Tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về bộ nghịch lưu đa bậc và kỹ thuật giảm CMV.
  • Dữ liệu mô phỏng từ phần mềm MATLAB/Simulink.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ mô hình thực tế sử dụng linh kiện IGBT STGW40N120K và vi xử lý DSP TMS320F28335.

• Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng kỹ thuật điều chế PWM và giải thuật giảm CMV trên MATLAB/Simulink để đánh giá hiệu quả về dạng sóng điện áp, dòng tải và điện áp common-mode.
  • Lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 sử dụng công cụ Code Composer Studio V3.3, tự động biên dịch từ mô hình Simulink sang ngôn ngữ C, không cần lập trình lại thủ công.
  • Thực nghiệm trên mô hình phần cứng với tải RL 3 pha, đo đạc dạng sóng điện áp, dòng điện và CMV bằng thiết bị đo Tektronic.

• Timeline nghiên cứu:

  • Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, xây dựng khung lý thuyết và mô hình mô phỏng (3 tháng).
  • Giai đoạn 2: Phát triển giải thuật giảm CMV, mô phỏng và tối ưu trên MATLAB (4 tháng).
  • Giai đoạn 3: Thiết kế mô hình thực nghiệm, lập trình nhúng DSP và thực hiện thí nghiệm (4 tháng).
  • Giai đoạn 4: Phân tích kết quả, so sánh mô phỏng và thực nghiệm, hoàn thiện luận văn (3 tháng).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu:

  • Mô hình thực nghiệm sử dụng bộ nghịch lưu cascade 5 bậc 3 pha với tải RL có điện trở 40Ω và điện cảm 90mH mỗi pha, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và mục tiêu nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm điện áp common-mode hiệu quả:

   • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp CMV giảm khoảng 50% khi áp dụng giải thuật điều khiển dựa trên kỹ thuật sóng mang và vector không gian so với trường hợp không sử dụng giải thuật.
   • Điện áp CMV được giới hạn trong khoảng -Vd/3 đến Vd/3, giảm đáng kể các mức điện áp cao gây hại.

2. Chất lượng sóng điện áp và dòng tải cải thiện:

   • Dạng sóng điện áp đầu ra gần giống với mô phỏng MATLAB-Simulink, có độ mịn cao, giảm sóng hài tổng (THD) đáng kể.
   • Dòng tải ổn định, giảm dao động và nhiễu, phù hợp với tải RL 3 pha.

3. Hiệu quả của kỹ thuật lập trình nhúng DSP:

   • Việc lập trình nhúng từ mô hình Simulink sang DSP TMS320F28335 qua Code Composer Studio V3.3 giúp tự động hóa quá trình phát triển, giảm thời gian và công sức lập trình thủ công.
   • Mô hình thực nghiệm vận hành ổn định, đáp ứng nhanh với các thay đổi của tải và điều kiện vận hành.

4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm:

   • Kết quả thực nghiệm khớp với mô phỏng trong phạm vi sai số nhỏ, chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải thuật.
   • Biểu đồ dạng sóng và bảng số liệu thực nghiệm thể hiện rõ sự giảm CMV và cải thiện chất lượng điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp common-mode là do giải thuật điều khiển lựa chọn các trạng thái chuyển mạch có điện áp CMV thấp, đồng thời sử dụng điện áp offset thích hợp để giới hạn CMV trong phạm vi an toàn. Kỹ thuật sóng mang kết hợp vector không gian giúp điều khiển chính xác điện áp đầu ra, giảm các thành phần hài bậc cao và nhiễu.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô phỏng hoặc điều khiển các bộ nghịch lưu 2-3 bậc, luận văn đã mở rộng nghiên cứu lên bộ nghịch lưu 5 bậc với mô hình thực nghiệm đầy đủ, sử dụng vi xử lý DSP hiện đại, tạo ra bước tiến trong ứng dụng thực tế.

Ý nghĩa của kết quả không chỉ nằm ở việc giảm CMV mà còn nâng cao chất lượng điện áp, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị, phù hợp với yêu cầu công nghiệp hiện đại. Việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm cũng giúp kiểm chứng độ chính xác của giải thuật, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật giảm CMV trên các bộ nghịch lưu đa bậc cao hơn

   • Mở rộng nghiên cứu và áp dụng giải thuật cho bộ nghịch lưu 7 bậc hoặc cao hơn để nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp.
   • Thời gian thực hiện: 12-18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm điện tử công suất.

2. Phát triển phần mềm lập trình nhúng tích hợp cho DSP

   • Xây dựng thư viện phần mềm hỗ trợ tự động chuyển đổi mô hình Simulink sang mã nguồn C cho DSP, giảm thiểu lỗi và tăng tốc độ phát triển.
   • Thời gian thực hiện: 6-9 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các đơn vị phát triển phần mềm và trung tâm nghiên cứu.

3. Ứng dụng giải thuật trong các hệ thống truyền động công nghiệp

   • Áp dụng giải thuật giảm CMV trong các bộ biến tần điều khiển động cơ công suất lớn, nâng cao độ bền và hiệu suất.
   • Thời gian thực hiện: 9-12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và các nhà máy công nghiệp.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ

   • Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc và lập trình nhúng DSP cho sinh viên và kỹ sư.
   • Thời gian thực hiện: liên tục theo năm học.
   • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, cao đẳng và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất

   • Học tập và nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc, kỹ thuật điều chế PWM và lập trình nhúng DSP.
   • Use case: Thực hành mô phỏng và thực nghiệm, phát triển đề tài luận văn.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị điện tử công suất

   • Áp dụng giải thuật giảm điện áp common-mode để nâng cao chất lượng sản phẩm và độ bền thiết bị.
   • Use case: Thiết kế bộ biến tần, bộ nghịch lưu cho hệ thống truyền động.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển

   • Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm, kỹ thuật lập trình nhúng DSP.
   • Use case: Phát triển chương trình đào tạo, nghiên cứu ứng dụng.

4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành hệ thống điện công nghiệp

   • Nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố do điện áp common-mode gây ra.
   • Use case: Bảo trì, nâng cấp hệ thống biến tần và truyền động.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp common-mode là gì và tại sao cần giảm?
   Điện áp common-mode là điện áp giữa điểm trung tính tải và trung tính nguồn, gây ra dòng rò và nhiễu điện từ. Giảm CMV giúp bảo vệ thiết bị, giảm bào mòn ổ bi động cơ và nâng cao tuổi thọ thiết bị.

2. Tại sao chọn bộ nghịch lưu cascade 5 bậc để nghiên cứu?
   Bộ nghịch lưu 5 bậc cân bằng giữa độ phức tạp và hiệu suất, cho chất lượng điện áp tốt hơn nghịch lưu 2-3 bậc, đồng thời dễ dàng mở rộng và ứng dụng trong thực tế.

3. Lập trình nhúng DSP có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   DSP TMS320F28335 có khả năng xử lý nhanh, hỗ trợ lập trình C/C++, tích hợp nhiều ngoại vi, giúp thực hiện điều khiển chính xác và tự động hóa quá trình phát triển phần mềm từ mô hình Simulink.

4. Giải thuật giảm CMV dựa trên nguyên lý nào?
   Giải thuật lựa chọn các trạng thái chuyển mạch có điện áp CMV thấp, kết hợp điều chỉnh điện áp offset để giới hạn CMV trong phạm vi an toàn, sử dụng kỹ thuật sóng mang và vector không gian.

5. Kết quả thực nghiệm có khác biệt nhiều so với mô phỏng không?
   Kết quả thực nghiệm và mô phỏng tương đồng cao, sai số nhỏ, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong điều kiện thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công giải thuật giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc, giảm CMV khoảng 50% so với phương pháp truyền thống.
• Kỹ thuật lập trình nhúng DSP TMS320F28335 từ mô hình Simulink giúp tự động hóa và nâng cao hiệu quả phát triển phần mềm điều khiển.
• Mô hình thực nghiệm với tải RL 3 pha chứng minh tính khả thi và độ chính xác của giải thuật, phù hợp với ứng dụng công nghiệp và đào tạo.
• Giải thuật góp phần nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, giảm sóng hài và nhiễu, bảo vệ thiết bị và tăng tuổi thọ động cơ.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu cho các bộ nghịch lưu đa bậc cao hơn, phát triển phần mềm hỗ trợ lập trình nhúng và ứng dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng và thử nghiệm giải thuật trong các hệ thống thực tế, đồng thời phát triển thêm các công cụ hỗ trợ lập trình nhúng để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Bộ nghịch lưu hiện nay không còn là một khái niệm mới mẽ nữa, có trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan trong trong các ngành công nghiệp và ngành điện. Việc nghiên cứu bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm. Trong những năm gần đây 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.

Tuy nhiên ở nước ta, các công trình nghiên cứu về nghịch lưu lại rất khiêm tốn đặc biệt là về nghịch lưu đa bậc. Phần lớn kết quả các công trình nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết và phần mềm mô phỏng, số bậc trong các mô hình thực tế còn thấp. Do đó việc đưa các công trình nghiên cứu trên ứng dụng vào thực tiễn cũng còn rất hạn chế. Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, 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 điển hình là các cấu trúc (Cascade, NPC, tụ kẹp…) [2]-[5].

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. Vì thế, 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.2 Lý do chọn đề tài Điện tử công suất là một kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng các phần tử bán dẫn trong các bộ biến đổi nguồn năng lượng điện. Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 1 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện tại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như: truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau.

Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Trong các bộ biến đổi điện tử công suất không thể không nhắc đến các bộ nghịch lưu điện áp,nghịch lưu dòng điện. Các bộ biến đổi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển động cơ, tiết kiệm năng lượng. Các bộ chuyển đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, biến tần) ngày càng được quan tâm nghiên cứu.

Để đáp ứng các nhu cầu công suất lớn, cần phải nâng cao điện áp và dòng điện. Tuy nhiên do khả năng chịu dòng và áp của các linh kiện điện tử công suất có giới hạn nên song song với việc phát triển các linh kiện công suất lớn, người ta dùng giải pháp mắc song song để tạo dòng điện cao và mắc nối tiếp để tăng điện áp. Giải pháp mắc nối tiếp cho ra đời các cấu trúc mạch nghịch lưu áp đa bậc thay cho nghịch lưu áp hai bậc truyền thống. Mạch nghịch lưu áp đa bậc có nhiều ưu điểm như công suất cao hơn, chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra tốt hơn, mạch lọc đầu ra nhỏ hơn so với nghịch lưu áp hai bậc.

Tuy nhiên nó cũng có nhiều nhược điểm như cần nhiều linh kiện hơn, giải thuật điều khiển phức tạp hơn và vì vậy giá thành cũng đắt hơn. Hiện nay bộ nghịch lưu áp ba pha đa bậc được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó như công suất cao hơn, chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra tốt hơn, mạch lọc ngõ ra nhỏ hơn,v.và ứng dụng thực tiễn của nó đạt hiệu quả rất cao. Chính vì vậy, người thực hiện chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON – MODE CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE ”. Khi hoàn thành xong đề tài này, thiết nghĩ sẽ đáp ứng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực hành, các nghiên cứu sinh và trong đời sống, trong công nghiệp,v.v… HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 2 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Tuy nhiên đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc đã được nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt là hai bậc hay ba bậc.

Nhưng ở đây người thực hiện đã kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm lập trình nhúng điều khiển bằng DSP28335 trên thuật toán cascade, chạy thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài.3 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Năm 2005 tạp chí IEE Proccedings Electric Power Applications đã đăng tải nghiên cứu của Nguyen Van Nho và Myung-Joong Youn [12], trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giai thích hóa tương quan SVPWM và CPWM. Kết quả nghiên cứu đã giúp thống nhất hai trường phái nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Đã các tác giả [3]; [4]; [5] đưa ra phương pháp điều khiển và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab của bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc dạng Cascade. Tuy nhiên trong luận văn này chúng ta tập chung vào hai vấn đề chính đó là: Áp dụng thuật toán Sine Pulse Width Modulation (SPWM) để điều khiển và mô phỏng trên phần mềm Matlab và xây dựng mô hình thực nghiệm để so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế.

Năm 2009 nhóm nghiên cứu Roberto Gonzaslez, Eugenio Gubía, Jesús Lospez, Lui Marroyo là thành viên của IEEE đã mô phỏng và thực hiện thành công bộ nghịch lưu một pha ba bậc NPC sử dụng trọng các hệ thống PV không dùng biến áp. Cấu trúc này không làm thay đổi tổng điện áp, hiệu suất tối đa đạt 98,16%[32]. Năm 2010 nhóm nghiên cứu của Federal University of Pernambuco - Recife, PE - BraZil [33], đã mô phỏng và thực hiện thành công bộ nghịch lưu một pha và ba pha ba bậc NPC sử dụng hệ thống điều khiển có chức năng chọn lọc tích cực dùng lý thuyết p- q. Điểm trung tính của bộ nghịch lưu NPC làm giảm dòng rò mà không cần bổ sung thêm phần cứng.

Nghiên cứu nghịch lưu áp đa bậc và thiết kế bộ nghịch lưu áp ba pha ba bậc NPC của luận văn thạc sĩ Nguyễn Thanh Toàn Trường đại học sư phạm kỹ Thuật TPHCM[8]. Đã trình bày mô phỏng hai loại nghịch lưu áp hai, ba bậc kết hợp với việc HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 3 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ lập trình điều khiển DSP TMS320F2812 để điều khiển nghịch lưu áp ba pha ba bậc NPC. Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID của Dương Trần Đình Thảo Trường đại học sư phạm kỹ Thuật TPHCM[6]. Điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha PWM bằng phương pháp PID kết hợp với giải thuật PSO và áp dụng để xác định thông số tối ưu cho bộ điều khiển PID và sau cùng là điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID.

Nghiên cứu điều khiển bộ nguồn ba pha cầu H gồm hai nhánh của thạc sỹ Bùi Thanh Hiếu Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM [7]. Đã thực hiện điều khiển thành công bộ biến tần lai gồm hai nhánh NPC 3 bậc với kỹ thuật điều chế song mang, thực hiện thực hiện thành công kỹ thuật cân bằng tụ thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng DSP 28335 từ Matlab/Simulink. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc Cascade sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên tính toán không gian Vector điều khiển bằng Card DSP28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ Matlab/Simulink Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc. Phân tích kỹ thuật giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc Cascade sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM dựa trên tính toán không gian Vector.

- Xây dựng mô hình hóa mô phỏng bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc cascade với kỹ thuật giảm điện áp Common-mode. - Xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng card DSP 28335. - So sánh mô phỏng với thực nghiệm. - Chạy thực nghiệm chạy không tải, tải RL.5 Giới hạn đề tài Trong đề tài này tập trung nghiên cứu: - Chỉ khảo sát mô hình và mô phỏng kỹ thuật giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu 5 bậc Cascade với các thông số tải RL.

HVTH: Phạm Thị Kim Thê Trang 4 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ - Tổng quát các khối phần cứng của bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc cascade. - Phương thức nhúng chương trình mô phỏng từ Matlab Simulink qua card DSP28335.6 Phương pháp nghiên cứu - Tham khảo, phân tích, tổng hợp, sử dụng có chọn lọc tài liệu từ các công trình nghiên cứu, các bài báo đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành trong nước và ngoài nước. - Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính như MATLAB. - Lập trình nhúng điều khiển mô hình thực nghiệm trên phần mềm Matlab cho vi xử lý DSP28335 và được kiểm chứng bằng thực tế.

- Các thực nghiệm thực tế được thực hiện trên mô hình thực với các thiết bị đo chính xác của hãng Tektronic. - So sánh đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.7 Điểm mới của đề tài - Kết hợp việc nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm điều khiển bằng vi xử lý DSP28335 trên thuật toán giảm điện áp Common-mode cho bộ nghịch lưu cascade, chạy thực nghiệm tải RL. - Chứng minh việc cải thiện điện áp Common mode khi nghịch lưu 5 bậc thông qua mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Thu thập dữ liệu trên máy tinh , giám sát chất lượng sóng thông qua thông qua máy đo hiển thi sóng của hãng Tektronic - Kết hợp nhúng matlab với tool C2000 DSP28335 kết hợp với chương trình lập trình C CCS V3.0 để lập trình cho DSP28335.