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 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 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 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 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.