Nghiên cứu điều khiển giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

• Tác giả: Phạm Thị Kim Thê
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. 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 về nghiên cứu giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade

Nghiên cứu về giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực điện tử công suất. Bộ nghịch lưu cascade, với khả năng điều khiển điện áp và dòng điện hiệu quả, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Tuy nhiên, vấn đề điện áp common mode phát sinh trong quá trình chuyển mạch vẫn là một thách thức lớn. Việc giảm thiểu điện áp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn bảo vệ thiết bị khỏi các hư hỏng không mong muốn.

1.1. Lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của nghịch lưu cascade

Bộ nghịch lưu cascade được sử dụng trong nhiều ứng dụng như truyền động điện, năng lượng tái tạo và hệ thống điện công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển cho bộ nghịch lưu này là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

1.2. Tầm quan trọng của việc giảm điện áp common mode

Giảm điện áp common mode không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu các tác động tiêu cực đến thiết bị và tải. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và độ tin cậy lớn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu giảm điện áp common mode

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về giảm điện áp common mode, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải giải quyết. Các vấn đề như độ phức tạp trong thiết kế mạch, chi phí cao và hiệu suất không ổn định vẫn tồn tại. Việc tìm ra các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu điện áp này là một nhiệm vụ quan trọng.

2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế mạch

Thiết kế mạch cho bộ nghịch lưu cascade thường gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật. Việc giảm điện áp common mode yêu cầu các kỹ thuật điều khiển phức tạp và chính xác.

2.2. Chi phí và hiệu suất của các giải pháp hiện tại

Nhiều giải pháp hiện tại để giảm điện áp common mode có chi phí cao và yêu cầu nhiều linh kiện. Điều này làm tăng giá thành sản phẩm và giảm khả năng cạnh tranh trên thị trường.

III. Phương pháp nghiên cứu giảm điện áp common mode hiệu quả

Để giải quyết vấn đề điện áp common mode, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM kết hợp với các thuật toán điều khiển tiên tiến. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác điện áp và giảm thiểu các tác động tiêu cực.

3.1. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM

Kỹ thuật PWM giúp điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu một cách linh hoạt. Việc áp dụng PWM trong thiết kế mạch giúp giảm điện áp common mode một cách hiệu quả.

3.2. Thuật toán điều khiển tiên tiến

Sử dụng các thuật toán điều khiển như PID, Fuzzy Logic giúp cải thiện khả năng điều khiển và giảm thiểu điện áp common mode trong các bộ nghịch lưu cascade.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã được thực hiện trên mô hình thực nghiệm với các linh kiện như IGBT và vi xử lý DSP. Kết quả cho thấy việc áp dụng các phương pháp giảm điện áp common mode mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.

4.1. Mô hình thực nghiệm và kết quả

Mô hình thực nghiệm cho thấy sự giảm thiểu đáng kể điện áp common mode khi áp dụng các phương pháp điều khiển mới. Kết quả này được xác nhận qua các phép đo thực tế.

4.2. So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao, chứng minh tính khả thi của các phương pháp nghiên cứu trong thực tế.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về giảm điện áp common mode cho bộ nghịch lưu cascade đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực điện tử công suất. Các phương pháp và kỹ thuật được đề xuất không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo ra những sản phẩm chất lượng hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng việc áp dụng các phương pháp mới có thể giảm thiểu điện áp common mode một cách hiệu quả, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để giảm điện áp common mode, đồng thời mở rộng ứng dụng của bộ nghịch lưu cascade trong các lĩnh vực khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật truyền động điện và biến đổi năng lượng hiện đại, các sự cố hư hỏng cơ điện do điện áp common-mode sinh ra trong biến tần chiếm khoảng 30% đến 40% tổng số ca bảo trì động cơ công nghiệp. Khi các khóa bán dẫn đóng ngắt ở tần số cao, tốc độ biến thiên điện áp $dv/dt$ thường vượt ngưỡng 10 kV/µs, tạo ra dòng điện rò chạy qua trục và phá hủy lớp màng bôi trơn ổ bi. Để giải quyết triệt để vấn đề này, bộ nghịch lưu cầu H nối tầng đa bậc 5 bậc ba pha được đánh giá là cấu trúc tối ưu nhờ khả năng chịu áp cao và giảm thiểu sóng hài ngõ ra. Tuy nhiên, nếu không có giải thuật điều khiển chuyên biệt, điện áp common-mode vẫn xuất hiện với biên độ lớn, dao động trong dải từ $-2V_d$ đến $+2V_d$.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng và hiện thực hóa giải thuật điều chế độ rộng xung bù điện áp offset nhằm triệt giảm 50% biên độ điện áp common-mode trên hệ thống nghịch lưu 5 bậc cascade. Đề tài tập trung kiểm soát chặt chẽ quá trình đóng cắt của 24 khóa bán dẫn IGBT, giữ điện áp common-mode chỉ xuất hiện ở 3 mức biên độ thấp nhất là $-V_d/3, 0$ và $+V_d/3$ trong toàn bộ dải điều chế tuyến tính từ $m = 0.4$ đến $m = 0.9$ và mở rộng sang vùng quá điều chế $m = 1.11$ đến $m = 1.12$.

Công trình được thực hiện vào năm 2015 tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Năng lượng thuộc Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi rút ngắn hơn 60% thời gian phát triển thuật toán nhờ kỹ thuật lập trình nhúng tự động trên card vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 tốc độ 150 MHz, đồng thời cung cấp giải pháp bảo vệ động cơ hiệu quả với chi phí phần cứng tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết nghịch lưu áp đa bậc cầu H nối tầng, kết hợp lý thuyết điều chế độ rộng xung sóng mang và phương pháp vector không gian. Cấu trúc cascade 5 bậc sử dụng 2 module cầu H mắc nối tiếp trên mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp pha riêng biệt gồm $-2V_d, -V_d, 0, +V_d, +2V_d$. So với nghịch lưu hai bậc truyền thống, cấu trúc này giúp giảm điện áp đặt lên từng linh kiện bán dẫn xuống khoảng 0,57 lần, cho phép vận hành an toàn ở các cấp điện áp công nghiệp mà không đòi hỏi linh kiện chịu áp quá cao.

Điện áp common-mode được định nghĩa là điện áp chênh lệch giữa điểm trung tính của tải và điểm trung tính của bộ nghịch lưu, tính theo biểu thức $U_{NO} = (U_{AO} + U_{BO} + U_{CO})/3$. Trong giản đồ vector không gian, hệ thống 5 bậc ba pha sở hữu 125 trạng thái chuyển mạch tạo thành 61 vector điện áp. Thuật toán Offset Base PWM được phát triển nhằm phân tách điện áp tham chiếu thành phần nguyên $L_j$ và phần dư $\xi_j$. Bằng việc xác định hàm tổng nguyên $F_L = L_A + L_B + L_C$ nhận các giá trị từ 3 đến 6 và hàm tổng dư $F$, hệ thống sẽ tự động bổ sung điện áp offset cấp hai để chọn lọc các tổ hợp vector cho phép, loại bỏ hoàn toàn các trạng thái tạo ra điện áp common-mode biên độ lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng giải tích trên phần mềm MATLAB/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình vật lý hoàn chỉnh. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 8 bộ thông số điều chế điển hình trải dài từ vùng tuyến tính ($m = 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9$) đến vùng quá điều chế ($m = 1.11, 1.12$). Việc chọn mẫu thông số đa dạng này nhằm đảm bảo đánh giá toàn diện tính ổn định của giải thuật trong mọi chế độ vận hành của tải.

Mô hình thực nghiệm được xây dựng với hệ thống mạch công suất gồm 24 linh kiện IGBT STGW40N120KD, 6 bộ chỉnh lưu cầu Diode nạp cho 6 tụ lọc điện dung $2200,\mu\text{F}/250,\text{V}$ độc lập. Tải ba pha R-L được lựa chọn với thông số trở kháng $R = 40,\Omega$ và độ tự cảm $L = 90,\text{mH}$ trên mỗi pha nhằm hạn chế tối đa độ nhấp nhô điện áp DC và mô phỏng chính xác đặc tính cảm kháng của động cơ điện xoay chiều.

Lý do lựa chọn phương pháp lập trình nhúng là khả năng liên kết trực tiếp giữa mô hình Simulink và phần mềm Code Composer Studio V3.3. Quy trình này tự động biên dịch sơ đồ khối sang mã nguồn C nạp thẳng vào bộ xử lý DSP TMS320F28335. Toàn bộ tín hiệu dòng điện, điện áp dây và điện áp common-mode được thu thập, phân tích thông qua máy hiện sóng Tektronix chuyên dụng trong thời gian thực nghiệm liên tục kéo dài 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm và mô phỏng đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải thuật điều chế Offset Base PWM thông qua các số liệu định lượng cụ thể:

• Giảm 50% biên độ đỉnh của điện áp common-mode: Khi chưa áp dụng giải thuật, điện áp common-mode dao động phức tạp qua 5 mức từ $-2V_d$ đến $+2V_d$. Sau khi kích hoạt giải thuật, điện áp common-mode được khống chế chính xác trong 3 mức biên độ thấp là $-V_d/3, 0, +V_d/3$, loại bỏ hoàn toàn các đỉnh xung nhọn nguy hiểm.
• Cải thiện chất lượng điện áp và dạng sóng dòng tải: Ở dải điều chế tuyến tính $m = 0.8$, điện áp dây $U_{AB}$ hiển thị đủ 9 bậc rõ ràng, dòng điện tải sin mịn và độ méo dạng sóng hài tổng được duy trì ở mức rất thấp, giảm thiểu tổn hao tỏa nhiệt trên cuộn dây tải R-L.
• Khả năng kiểm soát ổn định trong vùng quá điều chế: Khi chỉ số điều chế tăng cao lên mức $m = 1.11$ và $m = 1.12$, hệ thống vẫn duy trì biên độ điện áp common-mode trong phạm vi giới hạn $\pm V_d/3$, đảm bảo biên độ thành phần sóng hài cơ bản tăng trưởng tối đa mà không gây mất kiểm soát điện áp trung tính.
• Độ chính xác thời gian thực cực cao: Tần số quét 150 MHz của DSP TMS320F28335 với chu kỳ xung nhịp 6.67 ns cho phép thực thi thuật toán phát xung ePWM với thời gian deadtime chuẩn xác, triệt tiêu 100% hiện tượng trùng dẫn nhánh cầu công suất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp giải thuật đạt hiệu quả cao là cơ chế tính toán điện áp offset linh hoạt theo giá trị của hàm tổng phần nguyên. Khi $F_L = 3$ hoặc $4$, hệ thống bù lượng offset $v_{o2} = 1 - x_{max}$; khi $F_L = 5$ hoặc $6$, giá trị bù là $v_{o2} = -x_{min}$. Cơ chế này ép các trạng thái đóng ngắt của 3 pha luôn rơi vào nhóm vector có điện áp common-mode tối thiểu mà không làm thay đổi giá trị trung bình của điện áp đặt lên tải trong mỗi chu kỳ điều chế.

Khi đối chiếu với các phương pháp triệt tiêu common-mode bằng bộ lọc thụ động LC truyền thống vốn làm tăng kích thước hệ thống và gây tổn thất khoảng 3% đến 5% công suất định mức, giải pháp điều chế phần mềm này giúp tiết kiệm hơn 20% chi phí chế tạo phần cứng. Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB và số liệu thực nghiệm trên máy Tektronix đạt độ chính xác trên 95%. Toàn bộ dữ liệu điện áp dây, dòng tải và phổ phân tích hài Fourier có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua các bảng tổng hợp chỉ số điều chế và đồ thị phân bố vector không gian, tạo cơ sở tin cậy cho việc ứng dụng công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, 4 giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tế:

• Chuẩn hóa quy trình lập trình nhúng tự động: Các kỹ sư R&D và viện nghiên cứu cần ứng dụng công cụ liên kết giữa MATLAB/Simulink và Code Composer Studio để cắt giảm 60% thời gian lập trình thủ công cho vi điều khiển DSP trong vòng 3 đến 6 tháng tới.
• Mở rộng giải thuật lên cấu hình nghịch lưu 7 bậc và 9 bậc: Các nhóm nghiên cứu điện tử công suất nên tiếp tục phát triển thuật toán phân tách phần nguyên và phần dư cho các hệ thống nhiều bậc hơn nhằm nâng công suất truyền động lên trên 100 kVA trong lộ trình 12 tháng tiếp theo.
• Tích hợp giải thuật vào các bộ biến tần thương mại: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện cần nhanh chóng thử nghiệm giải thuật giảm điện áp common-mode trên biến tần công nghiệp, hướng tới mục tiêu kéo dài tuổi thọ động cơ thêm 40% và đạt chuẩn tương thích điện từ trong vòng 1 đến 2 năm.
• Nâng cấp phần cứng mạch lái và mạch đệm bảo vệ: Đội ngũ thiết kế phần cứng cần sử dụng các IC đệm tín hiệu 74HC245 chất lượng cao kết hợp biến áp xung cách ly để chuyển đổi tin cậy mức logic 3.3V của DSP sang 5V của mạch lái IGBT, giữ độ méo tín hiệu xung kích dưới mức 1%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử Công suất và Tự động hóa: Nắm vững phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi đa bậc trên MATLAB/Simulink và làm chủ kỹ thuật sinh mã C tự động cho chip DSP TMS320F28335 trong các đề tài tốt nghiệp.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp chế tạo biến tần: Tham khảo giải thuật Offset Base PWM để triệt tiêu 50% biên độ điện áp common-mode, tối ưu hóa mạch lọc ngõ ra và nâng cao độ bền của hệ truyền động động cơ.
• Giảng viên và cán bộ quản lý phòng thí nghiệm tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch công suất, mạch nguồn và mạch đệm trong luận văn để xây dựng mô hình thực hành thí nghiệm cascade 5 bậc với chi phí hợp lý.
• Chuyên gia thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo và trạm sạc xe điện: Khai thác cấu trúc nghịch lưu cascade đa mức để quản lý dòng rò đất trong các hệ thống điện mặt trời không biến áp và nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng lên trên 98%.

Câu hỏi thường gặp

Điện áp common-mode trong bộ nghịch lưu là gì và gây ra những tác hại nào? Điện áp common-mode là điện áp chênh lệch giữa điểm trung tính của tải và trung tính nguồn nghịch lưu. Khi các khóa bán dẫn đóng ngắt với tốc độ $dv/dt$ vượt quá 10 kV/µs, điện áp này sinh ra dòng rò qua trục động cơ làm mòn cơ học ổ bi, giảm 40% tuổi thọ thiết bị và gây nhiễu điện từ nghiêm trọng cho hệ thống điều khiển.

Cấu trúc nghịch lưu 5 bậc Cascade H-Bridge có ưu điểm gì nổi bật? Cấu trúc này ghép nối tiếp 2 cầu H độc lập trên mỗi pha, tạo ra 5 mức điện áp ngõ ra riêng biệt. Cấu hình này giúp giảm điện áp chịu đựng trên mỗi khóa IGBT STGW40N120KD xuống khoảng 0,57 lần so với nghịch lưu hai bậc, giảm độ méo hài tổng và nâng cao đáng kể công suất vận hành của hệ thống.

Nguyên lý cốt lõi của giải thuật Offset Base PWM trong việc giảm điện áp common-mode là gì? Giải thuật phân tích điện áp điều khiển thành phần nguyên và phần dư, sau đó tính toán bổ sung điện áp offset cấp hai dựa trên tổng hàm nguyên $F_L$. Kỹ thuật này giúp hệ thống chỉ lựa chọn các tổ hợp vector chuyển mạch an toàn, giới hạn biên độ điện áp common-mode trong 3 mức nhỏ nhất là $-V_d/3, 0, +V_d/3$.

Tại sao kỹ thuật lập trình nhúng từ MATLAB sang DSP TMS320F28335 lại mang lại hiệu quả cao? Kỹ thuật nhúng tự động biên dịch sơ đồ khối từ Simulink thành mã nguồn C thông qua Code Composer Studio V3.3 và nạp trực tiếp vào chip DSP tốc độ 150 MHz. Phương pháp này loại bỏ nguy cơ lỗi do viết code thủ công, giúp tiết kiệm hơn 60% thời gian thử nghiệm và kiểm soát xung ePWM chính xác.

Giải thuật giảm điện áp common-mode này có thể áp dụng cho các cấu hình cao bậc hơn không? Giải thuật hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ thống 7 bậc, 9 bậc hoặc $n$ bậc. Nhờ nguyên lý phân tích hàm nguyên và hàm dư tổng quát, việc kiểm soát các vector cho phép ở các bậc cao hơn vẫn giữ nguyên biên độ điện áp common-mode ở 3 mức tối thiểu, mang lại hiệu quả cao cho truyền động công suất lớn.

Kết luận

• Xây dựng thành công giải thuật Offset Base PWM giúp giảm 50% biên độ điện áp common-mode, khống chế trong 3 mức biên độ thấp nhất mà không làm méo dạng điện áp dây.
• Chế tạo và vận hành hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cascade 5 bậc ba pha sử dụng 24 khóa IGBT STGW40N120KD trên tải trở cảm $R = 40,\Omega, L = 90,\text{mH}$.
• Ứng dụng xuất sắc công nghệ lập trình nhúng tự động từ MATLAB/Simulink sang card điều khiển DSP TMS320F28335 tốc độ 150 MHz qua Code Composer Studio V3.3.
• Kiểm chứng toàn diện trên 8 dải chỉ số điều chế từ vùng tuyến tính đến quá điều chế, đạt độ tương đồng giữa lý thuyết mô phỏng và thực tế trên 95%.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu không cần bổ sung mạch lọc thụ động, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và nâng cao tuổi thọ thiết bị truyền động điện.

Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng giải thuật trên cấu hình 7 bậc và thử nghiệm trực tiếp trên động cơ cảm ứng công nghiệp công suất lớn. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác tài liệu luận văn này để ứng dụng ngay vào việc thiết kế các hệ thống biến tần đa bậc hiện đại.

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 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.