Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp Trong Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu kỹ thuật offset trong điều khiển cân bằng điện áp tụ điện cho bộ nghịch lưu áp 3 pha bậc npc.

• Tác giả: Đới Văn Môn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp Trong Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU
• 2.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ ĐIỆN
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp NPC Inverter

Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC (Neutral Point Clamped) ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều ứng dụng như điều khiển động cơ, quản lý chất lượng điện năng, và tích hợp năng lượng tái tạo. Biến tần NPC đã có sự phát triển vượt bậc trong điều khiển động cơ và các ứng dụng công nghiệp khác. Các cấu trúc mạch điện cơ bản bao gồm cấu trúc mạch nối diode, cấu trúc nối tầng, và cấu trúc dùng tụ điện. Một vấn đề lớn là sự mất cân bằng điện áp trên các tụ điện do quá trình nạp và xả trong quá trình điều khiển. Hai kỹ thuật điều khiển chính là điều chế vector không gian và điều chế sóng mang dựa trên hàm offset. Việc khai thác hàm offset có thể tăng cường tính năng và giảm nhiễu sóng hài. Kỹ thuật sóng mang có thể giải quyết bài toán điều khiển các cấu trúc biến tần phức tạp. Nghiên cứu này tập trung vào giải quyết vấn đề cân bằng điện áp tụ điện trong Bộ Nghịch Lưu NPC để nâng cao hiệu suất và độ ổn định.

1.1. Giới Thiệu Về Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC

Bộ Nghịch Lưu NPC là một loại biến tần đa cấp (Multi-level inverter), cho phép tạo ra điện áp đầu ra với nhiều mức khác nhau, từ đó giảm thiểu sóng hài (THD điện áp ngõ ra) và cải thiện chất lượng điện năng. Cấu trúc mạch bao gồm các diode kẹp điểm trung tính (Neutral Point Clamped) cho phép chia điện áp DC-link thành nhiều mức nhỏ hơn. Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điện áp cao, nơi yêu cầu chất lượng điện năng cao. Ứng dụng rộng rãi của Bộ Nghịch Lưu NPC trong công nghiệp, hệ thống điện và năng lượng tái tạo là động lực thúc đẩy các nghiên cứu cải tiến hiệu suất và độ tin cậy.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Cân Bằng Điện Áp DC link Trong NPC Inverter

Việc Cân Bằng Điện Áp DC-link là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của Bộ Nghịch Lưu NPC. Sự mất cân bằng điện áp giữa các tụ điện trên DC-link có thể dẫn đến điện áp vượt quá giới hạn cho phép của các linh kiện, gây hư hỏng và giảm tuổi thọ hệ thống. Hơn nữa, sự mất cân bằng này còn làm tăng sóng hài trong điện áp đầu ra (THD điện áp ngõ ra), ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho tải. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật Cân Bằng Điện Áp hiệu quả là vô cùng quan trọng.

II. Thách Thức Vấn Đề Cân Bằng Điện Áp Trong Bộ Nghịch Lưu NPC

Một trong những thách thức lớn nhất của Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC là duy trì sự Cân Bằng Điện Áp trên các tụ điện DC-link. Sự mất cân bằng này có thể phát sinh do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự khác biệt trong đặc tính của các linh kiện, sự biến đổi của tải, và các yếu tố bên ngoài khác. Điều này dẫn đến điện áp trên các tụ điện không đồng đều, gây ra Điện Áp Điểm Trung Tính bị lệch và ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Giải quyết vấn đề này đòi hỏi các phương pháp điều khiển thông minh và hiệu quả để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy.

2.1. Nguyên Nhân Gây Mất Cân Bằng Điện Áp DC link

Có nhiều yếu tố gây ra sự mất Cân Bằng Điện Áp DC-link trong Bộ Nghịch Lưu NPC. Một trong số đó là sự khác biệt nhỏ trong giá trị điện dung và điện trở của các tụ điện. Sự khác biệt này dẫn đến tốc độ nạp và xả điện khác nhau giữa các tụ, gây ra sự chênh lệch điện áp. Ngoài ra, sự biến đổi của tải cũng có thể gây ra sự mất cân bằng, đặc biệt là khi tải không đối xứng hoặc có tính chất phi tuyến. Các yếu tố bên ngoài như nhiễu điện từ và sự biến đổi nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng điện áp.

2.2. Hậu Quả Của Việc Mất Cân Bằng Điện Áp DC link

Việc mất Cân Bằng Điện Áp DC-link gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho Bộ Nghịch Lưu NPC. Điện áp vượt quá mức cho phép có thể làm hỏng các linh kiện bán dẫn như IGBT, dẫn đến hư hỏng hệ thống. Ngoài ra, sự mất cân bằng này làm tăng sóng hài trong điện áp đầu ra, làm giảm chất lượng điện năng và gây nhiễu cho các thiết bị khác. Việc tăng THD điện áp ngõ ra còn làm giảm hiệu suất của Bộ Nghịch Lưu NPC do tổn thất năng lượng tăng lên. Do đó, việc duy trì Cân Bằng Điện Áp là yếu tố sống còn để đảm bảo hoạt động tin cậy và hiệu quả.

III. Phương Pháp Cân Bằng Điện Áp DC link Bằng Kỹ Thuật Offset PWM

Một phương pháp hiệu quả để Cân Bằng Điện Áp DC-link trong Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC là sử dụng kỹ thuật Offset Pulse Width Modulation (PWM). Kỹ thuật này dựa trên việc thêm một tín hiệu offset vào tín hiệu điều chế PWM, từ đó điều chỉnh thời gian dẫn của các van bán dẫn và kiểm soát dòng điện nạp xả vào các tụ điện DC-link. Bằng cách điều chỉnh hàm offset một cách thích hợp, có thể đạt được sự Cân Bằng Điện Áp một cách hiệu quả và giảm thiểu sóng hài trong điện áp đầu ra.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Kỹ Thuật Offset PWM

Kỹ thuật Offset PWM hoạt động bằng cách thêm một hàm offset vào tín hiệu điều chế PWM chuẩn. Hàm offset này được thiết kế để điều chỉnh thời gian dẫn của các van bán dẫn trong Bộ Nghịch Lưu NPC. Bằng cách thay đổi thời gian dẫn, dòng điện nạp và xả vào các tụ điện DC-link có thể được kiểm soát, từ đó điều chỉnh điện áp trên các tụ. Mục tiêu chính là duy trì sự Cân Bằng Điện Áp giữa các tụ điện, đồng thời giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng.

3.2. Thiết Kế Hàm Offset Tối Ưu Cho Cân Bằng Điện Áp

Việc thiết kế hàm offset tối ưu là yếu tố then chốt để đạt được hiệu quả Cân Bằng Điện Áp cao. Hàm offset thường được thiết kế dựa trên các thông số như điện áp trên các tụ điện, dòng điện tải, và các tham số khác của hệ thống. Các thuật toán điều khiển như PID hoặc Fuzzy Logic có thể được sử dụng để điều chỉnh hàm offset một cách động, đảm bảo Cân Bằng Điện Áp trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Thuật toán cân bằng điện áp cần phải có khả năng phản ứng nhanh chóng với các thay đổi của tải và các yếu tố bên ngoài để duy trì sự ổn định của hệ thống.

IV. Nghiên Cứu Giải Thuật Điều Khiển Cân Bằng Điện Áp Tụ Bằng Offset Trong NPC

Các Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng điện áp trong Bộ Nghịch Lưu NPC thường tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh và hiệu quả. Các thuật toán này sử dụng thông tin về điện áp tụ, dòng điện tải và các thông số khác để điều chỉnh hàm offset và đảm bảo sự cân bằng. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu NPC tiên tiến còn kết hợp các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo để dự đoán và bù đắp cho các yếu tố gây mất cân bằng.

4.1. Phân Tích Hàm Offset và Dòng Điện Điểm Trung Tính

Phân tích hàm offset và dòng điện đi qua điểm trung tính (Điện áp điểm trung tính) là một bước quan trọng trong việc thiết kế các thuật toán Cân Bằng Điện Áp. Hàm offset ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian dẫn của các van bán dẫn và do đó ảnh hưởng đến dòng điện nạp xả vào các tụ điện. Dòng điện điểm trung tính là dòng điện chạy qua điểm giữa của DC-link và là một chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ cân bằng. Bằng cách phân tích mối quan hệ giữa hàm offset và dòng điện điểm trung tính, có thể phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả hơn.

4.2. So Sánh Các Phương Pháp Điều Khiển Cân Bằng Điện Áp

Có nhiều phương pháp Cân Bằng Điện Áp khác nhau cho Bộ Nghịch Lưu NPC, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp này có thể được phân loại dựa trên kỹ thuật điều khiển, loại cảm biến sử dụng, và khả năng đáp ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau. Việc So sánh các phương pháp cân bằng điện áp giúp người thiết kế lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho ứng dụng cụ thể của mình. Các tiêu chí so sánh bao gồm hiệu quả cân bằng, độ phức tạp của thuật toán, chi phí và độ tin cậy.

V. Ứng Dụng Mô Phỏng Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp Trong Bộ Nghịch Lưu NPC

Các kỹ thuật Cân Bằng Điện Áp cho Bộ Nghịch Lưu NPC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công nghiệp, hệ thống truyền tải điện, và các ứng dụng năng lượng tái tạo. Để đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật này, thường sử dụng các công cụ mô phỏng bộ nghịch lưu NPC như MATLAB/Simulink. Mô phỏng bộ nghịch lưu NPC giúp kiểm tra và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển trước khi triển khai trên hệ thống thực tế.

5.1. Mô Phỏng Bộ Nghịch Lưu NPC Sử Dụng MATLAB Simulink

MATLAB/Simulink là một công cụ mạnh mẽ để Mô phỏng Bộ Nghịch Lưu NPC và các hệ thống điện khác. Simulink cho phép xây dựng mô hình chi tiết của Bộ Nghịch Lưu NPC, bao gồm các linh kiện bán dẫn, tụ điện, và các khối điều khiển. Bằng cách mô phỏng bộ nghịch lưu NPC, có thể kiểm tra hiệu quả của các thuật toán Cân Bằng Điện Áp trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất hệ thống.

5.2. Ứng Dụng Của Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp Trong Hệ Thống Điện Thực Tế

Các kỹ thuật Cân Bằng Điện Áp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của Bộ Nghịch Lưu NPC trong các hệ thống điện thực tế. Trong các hệ thống truyền tải điện, Bộ Nghịch Lưu NPC được sử dụng để điều khiển dòng công suất và cải thiện ổn định hệ thống. Trong các ứng dụng năng lượng tái tạo, Bộ Nghịch Lưu NPC được sử dụng để chuyển đổi năng lượng từ các nguồn như mặt trời và gió thành điện năng có thể sử dụng. Ứng dụng bộ nghịch lưu NPC cũng bao gồm các hệ thống UPS và điều khiển động cơ công nghiệp.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Cân Bằng Điện Áp NPC

Nghiên cứu về kỹ thuật Cân Bằng Điện Áp trong Bộ Nghịch Lưu 3 Pha 3 Bậc NPC vẫn là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh hơn, kết hợp các phương pháp Cân Bằng Điện Áp với các kỹ thuật giảm sóng hài, và phát triển các hệ thống Cân Bằng Điện Áp tự động thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau.

6.1. Đánh Giá Hiệu Quả Của Các Phương Pháp Cân Bằng Điện Áp

Việc Đánh giá hiệu quả cân bằng điện áp là rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các tiêu chí đánh giá bao gồm tốc độ cân bằng, độ chính xác, khả năng chống nhiễu, và độ phức tạp của thuật toán. Hiệu quả của các phương pháp Cân Bằng Điện Áp có thể được đánh giá thông qua các Mô phỏng bộ nghịch lưu NPC và các thí nghiệm thực tế.

6.2. Hướng Phát Triển Của Kỹ Thuật Cân Bằng Điện Áp Trong Tương Lai

Trong tương lai, kỹ thuật Cân Bằng Điện Áp sẽ tiếp tục phát triển theo hướng sử dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến hơn như học máy và trí tuệ nhân tạo. Các kỹ thuật này có thể được sử dụng để dự đoán và bù đắp cho các yếu tố gây mất cân bằng một cách chính xác hơn. Ngoài ra, việc kết hợp các phương pháp Cân Bằng Điện Áp với các kỹ thuật giảm sóng hài sẽ giúp cải thiện chất lượng điện năng và hiệu suất tổng thể của hệ thống. Các nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc phát triển các hệ thống Cân Bằng Điện Áp tự động có khả năng thích ứng với các điều kiện hoạt động khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bộ nghịch lưu đa bậc, đặc biệt là bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC (Neutral Point Clamped), đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi điện năng từ nguồn một chiều sang điện xoay chiều phục vụ nhiều ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo. Theo ước tính, các bộ nghịch lưu đa bậc đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển động cơ điện, quản lý chất lượng điện năng và hòa lưới năng lượng mặt trời, gió. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn là kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu, nhằm đảm bảo hiệu suất và độ bền thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật offset để điều khiển cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm, phát triển giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset nhằm cân bằng điện áp trên các tụ điện, giảm tổn hao chuyển mạch và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc, góp phần giảm thiểu méo dạng sóng, tổn hao năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị. Các chỉ số đánh giá như độ lệch điện áp giữa các tụ điện, dòng điện qua điểm nối trung tính và tần số chuyển mạch được phân tích chi tiết, giúp định lượng hiệu quả giải thuật đề xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Kỹ thuật điều chế sóng mang (Carrier Based Pulse Width Modulation - CPWM): Đây là phương pháp điều khiển phổ biến trong bộ nghịch lưu, sử dụng sóng mang tam giác để tạo xung điều khiển các khóa bán dẫn. Kỹ thuật CPWM giúp điều chỉnh điện áp đầu ra tuyến tính theo tín hiệu điều khiển, đồng thời có thể kết hợp với hàm offset để cân bằng điện áp tụ điện.

2. Kỹ thuật điều chế vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM): Phương pháp này mô hình hóa điện áp ba pha dưới dạng vector trong mặt phẳng tọa độ, cho phép điều khiển chính xác hơn các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu. SVPWM được sử dụng để xác định vị trí vector tham chiếu trong các tam giác của giản đồ vector không gian lục giác, từ đó tính toán hàm offset phù hợp.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện áp common mode, dòng điện qua điểm nối trung tính (dòng NP), hàm offset DPWM (Discontinuous PWM offset), và các trạng thái chuyển mạch của khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB Simulink 7 và mô hình thực nghiệm sử dụng vi xử lý TMS320F28335 của Texas Instruments.

• Phương pháp phân tích: Phân tích điện áp và dòng điện qua các tụ điện, đánh giá sự cân bằng điện áp dựa trên các hàm offset DPWM được thiết kế theo các bảng lựa chọn hàm offset tương ứng với dòng điện qua điểm nối trung tính trong từng tam giác vector không gian.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được xây dựng với bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC, sử dụng tải 3 pha R-L nối sao. Việc chọn mẫu dựa trên các trạng thái chuyển mạch và dòng điện tải thực tế để đánh giá hiệu quả giải thuật.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2015 với việc xây dựng mô hình mô phỏng, tiếp tục phát triển giải thuật và lập trình vi xử lý trong các tháng tiếp theo, hoàn thành mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả vào tháng 6/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả cân bằng điện áp tụ điện: Giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset DPWM giúp giảm độ lệch điện áp giữa hai tụ điện trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC xuống dưới 5% so với mức ban đầu, cải thiện đáng kể so với phương pháp không sử dụng offset.

2. Giảm tổn hao chuyển mạch: Kỹ thuật điều khiển gián đoạn (Discontinuous PWM) kết hợp hàm offset làm giảm tần số chuyển mạch ở một số pha, từ đó giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong các khóa bán dẫn khoảng 15-20% so với kỹ thuật sóng mang chuẩn.

3. Ổn định dòng điện qua điểm nối trung tính: Dòng điện NP được điều khiển ổn định trong phạm vi ±10% giá trị danh định, giúp hạn chế hiện tượng nhấp nhô điện áp tụ điện và giảm méo dạng sóng đầu ra.

4. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng trên MATLAB tương đồng với kết quả thực nghiệm, sai số giữa hai phương pháp dưới 7%, chứng tỏ tính khả thi và độ chính xác của giải thuật điều khiển đề xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cân bằng điện áp là do việc sử dụng hàm offset DPWM được lựa chọn dựa trên dòng điện qua điểm nối trung tính trong từng tam giác vector không gian, giúp điều chỉnh chính xác trạng thái chuyển mạch của các pha. So với các nghiên cứu trước đây, giải thuật này khắc phục được nhược điểm không cân bằng điện áp khi tải có hệ số công suất thấp hoặc chỉ số điều chế cao.

Việc giảm tổn hao chuyển mạch nhờ kỹ thuật điều khiển gián đoạn cũng góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của bộ nghịch lưu, đồng thời giảm nhiệt độ làm việc của linh kiện bán dẫn, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp trên các tụ điện và biểu đồ dòng điện NP, minh họa sự ổn định và cân bằng điện áp đạt được.

Kết quả thực nghiệm khẳng định tính ứng dụng thực tế của giải thuật, phù hợp với các hệ thống biến tần đa bậc trong công nghiệp và năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, một số hạn chế như độ phức tạp của thuật toán và yêu cầu tính toán nhanh vẫn cần được cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật điều khiển hàm offset DPWM trong các bộ nghịch lưu công nghiệp: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu giảm độ lệch điện áp tụ điện dưới 5%, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và đơn vị vận hành hệ thống điện.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trên vi xử lý DSP: Động từ "phát triển", nhằm tối ưu hóa thuật toán, giảm độ trễ xử lý xuống dưới 1 ms, thời gian 6-9 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm.

3. Nâng cao đào tạo kỹ thuật viên vận hành bộ nghịch lưu đa bậc: Động từ "đào tạo", mục tiêu nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, thời gian 3-6 tháng, chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và trường đại học.

4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống biến tần đa bậc phức tạp hơn: Động từ "mở rộng", nhằm áp dụng cho bộ nghịch lưu 5 bậc hoặc cao hơn, thời gian nghiên cứu 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế biến tần và bộ nghịch lưu: Nghiên cứu cung cấp giải thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ điện, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền thiết bị trong thiết kế sản phẩm.

2. Nhà quản lý vận hành hệ thống điện công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các kỹ thuật điều khiển nâng cao, giảm tổn hao năng lượng và tăng tính ổn định của hệ thống.

3. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy.

4. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Áp dụng giải thuật điều khiển để nâng cao hiệu quả hòa lưới các nguồn năng lượng mặt trời, gió sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC?
   Cân bằng điện áp giúp đảm bảo điện áp trên các tụ điện không bị lệch quá mức, tránh gây hư hỏng linh kiện và giảm méo dạng sóng đầu ra, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

2. Hàm offset DPWM là gì và vai trò của nó trong điều khiển?
   Hàm offset DPWM là hàm cộng thêm vào tín hiệu điều khiển sóng mang để tạo ra chế độ điều khiển gián đoạn, giúp giảm tần số chuyển mạch và cân bằng dòng điện qua điểm nối trung tính, từ đó cân bằng điện áp tụ điện.

3. Giải thuật điều khiển này có áp dụng được cho tải có hệ số công suất thấp không?
   Có, giải thuật được thiết kế để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trước đó, vẫn duy trì cân bằng điện áp hiệu quả ngay cả khi tải có hệ số công suất thấp hoặc chỉ số điều chế cao.

4. Phần mềm mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Phần mềm MATLAB Simulink 7 được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu và đánh giá các giải thuật điều khiển trước khi thực nghiệm.

5. Vi xử lý nào được sử dụng để thực hiện giải thuật điều khiển trong mô hình thực nghiệm?
   Vi xử lý TMS320F28335 của Texas Instruments được sử dụng để lập trình và điều khiển bộ nghịch lưu trong mô hình thực nghiệm, đảm bảo tính chính xác và khả năng thực thi cao.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công giải thuật điều khiển sử dụng hàm offset DPWM để cân bằng điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy độ lệch điện áp tụ điện giảm dưới 5%, đồng thời giảm tổn hao chuyển mạch khoảng 15-20%.
• Giải thuật khắc phục được nhược điểm của các phương pháp trước, đặc biệt với tải có hệ số công suất thấp và chỉ số điều chế cao.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng cho các bộ nghịch lưu đa bậc phức tạp hơn và các hệ thống năng lượng tái tạo.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và đào tạo kỹ thuật viên vận hành.

Hãy áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến này để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống biến tần trong các ứng dụng công nghiệp và năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Bộ nghịch lưu đa bậc (Multilevel Voltage Source Inverter) nói chung và bộ nghịch lưu 3 bậc NPC (Three-level NPC Inverter) nói riêng là thiết bị biến đối điện năng có vai trò ngày càng quan trọng trong các lãnh vực ứng dụng khác nhau như phục vụ biến đôi điện cơ, giao thông vận tải, quản lý chất lượng hệ thống điện, chuyển đôi các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió vê hòa lưới điện. Trong những năm gan đây, biến tan điện áp NPC đã có những phát triển vượt bậc ứng dụng vào trong lãnh vực điều khiển động cơ điện và các ứng dụng công nghiệp khác [1],[2]. Các cấu trúc mạch điện cơ bản của biến tan NPC là cấu trúc mạch nối diode (NPC), câu trúc nôi tang và câu trúc nôi dùng tụ điện. Van dé trong bộ nghịch lưu 3 bac NPC là khi có sự nạp và xả của tụ điện trong qua trình điều khiển đóng ngắt các khóa ban dẫn sẽ dẫn đến khả năng mat cân bang điện áp trên 2 tụ điện.

Van đê vê điện áp common mode. Hai kỹ thuật điều khiến bộ nghịch lưu đa bậc thường được quan tâm là kỹ thuật điều chế vector không gian và kỹ thuật điều chế sóng mang dựa vào ham offset. Khả năng khai thác hàm offset trong tín hiệu điều khién có thé làm tăng cường các tính năng xác lập và các tính chất điện của thiết bị như phạm vi điều khiến điện áp và dòng điện tối đa, khả năng giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong thiết bị, khả năng giảm bớt các nhiễu do sóng hài gây ra. Nhu được biết, bằng cách thêm ham offset thích hợp vào trong giải thuật sóng mang, kết quả xung kích có thể tương đương như thực hiện băng kỹ thuật điều chế vector không gian.

Tính linh động của kỹ thuật điêu chế vector không gian cũng có thé thực hiện bằng kỹ thuật sóng mang. Kỹ thuật sóng mang cũng giúp giải quyết bài toán điều khiến các cấu trúc biến tan điện áp phức tạp như hệ thống biến tần da pha đa bậc với các nguồn một chiều không cân bằng [3-6]. Một trong các giải thuật điều chế dùng sóng mang có kha năng cân bằng các điện áp trên các tụ một chiều được đề xuất trong [17]. Người ta đo điện áp trên các tụ điện và Trang 15 dòng điện di qua ba pha tải phục vụ số liệu cho việc tính toán ham offset.

Ưu điểm là giải thuật tạo ham offset ở chế độ điều chế gián đoạn nên giảm được tôn hao chuyển mach. Tuy nhiên, giải pháp này không thé giải quyết triệt dé vấn dé mat cân băng khi tải có hệ số công suất thấp hoặc khi chỉ số điều chế lớn. Một nhược điểm nữa là dòng điện khác không đi vào điểm nối các tụ gây ra sự nhấp nhô nhất định của các điện áp tụ một chiêu. Một giải pháp với kỹ thuật điều chế sóng mang khá hoàn chỉnh có thể kiểm soát dòng điện nạp điện tích cho các tụ một chiều bằng hàm offset được trình bày trong [18].

Các tác gia sử dụng các ham offset đặc biệt, kết hợp với việc đo đạc dòng điện ba pha tải và tính toán dòng điện nạp tụ điện, qua đó có thé cân bằng điện áp các tụ một chiêu. Nhược điểm của giải pháp này giống như của nhóm tác gia [17], là không thé giải quyết cân bằng áp trên các tụ với tải có hệ số công suất thấp hoặc trong điều kiện chỉ số điều chế cao. Dé giải quyết | trong những van đề trong bộ nghịch lưu 3 bac NPC là lý do chính tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật offset để điều khiến cân bang điện áp tụ điện trong bộ nghịch lưu áp 3 pha 3 bậc NPC”. Trang 16 Chương 2: Tổng quan về bộ nghịch lưu: 2.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu e Giới thiệu chung Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyền đôi năng lượng tu nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiêu.

Đại lượng được điều khién ở ngõ vào là điện áp hoặc dòng điện, do đó người ta thường chia bộ nghịch lưu ra làm hai loại: bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. + Bộ nghịch lưu áp: Nguôn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn điện áp. + Bộ nghịch lưu dòng: Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn dòng điện. Xét bộ nghịch lưu áp ta thây có rất nhiều loại và được phân chia theo: Theo số pha điện áp đầu ra: Nghịch lưu áp 1 pha, 3 pha.

Theo sô bậc giá trị điện áp giữa đâu pha tải đên một điêm điện thê chuân trên mach có: Hai bac (two-level), đa bậc (Multi_ level — từ 3 bậc trở lên). Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: Dang cascade (cascade inverter), dạng nghịch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped),. Theo phương pháp điều khiến: + Phương pháp điều biên. + Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM). + Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM - Carrier Based PWM). e Bộ nghịch lưu: M6 hình nghịch lưu I nhánh (Single leg inverter) Trang 17 ‘y= k Hình 2.1: So đồ nguyên lý nghịch lưu 1 nhánh Trong hình vẽ 2.1, ta có Vạ là nguồn điện 1 chiều, S, S’ là các khóa bán dẫn, uag là điện áp tâm nguồn. Trước hết ta phân tích áp nghịch lưu uo: Các khóa 8 và S’ sẽ được kích đôi nghịch nhau, nghĩa là khi khóa 8S dong thì khóa S’ ngắt, từ đó ta có thê suy ra điện ap pha tam nguôn theo công thức 2.1) Và trường hợp ngược lại: (2.2) Quy tắc kích đối nghịch luôn luôn có: (2.3) - Kf thuật sóng mang (Carrier based Pulse Width Modulation) CPWM Nguyên lý cua CPWM: t„==-=-=-- \ /.

u —> fs 21 WI! dk h nik A —?/ s| [I up È (3⁄2, +vdi >> _ — + Is Hình 2.2: Nguyên lý kỹ thuật sóng mang Trang 18 Khi điều khiển tuyến tinh: Trị trung bình điện áp nghịch lưu luôn luôn được tính theo công thức: — — (2.4) Tính toán ta được: — (2.5 ta nhận thay áp trung bình nghịch lưu tỷ lệ thuận với uw điều khiển Trường hợp xét theo mô hình áp trung bình của một nhánh nghịch lưu: —© ae u, = k.3: Mo hình ap trung bình nhánh nghịch lưu Gia sử ta đặt: k=Vụạ Tính chất của điều khiến tuyến tính: (2.9) Từ đây, điều kiện được suy ra là: 0 (2.10) Bộ nghịch lưu cau 1 pha (H_Bridge) Mô hình nguyên lý: Trang 19 ⁄¡ ⁄: <=) O1 + O1 U, = ku 12 © “o2 (œA— z4 s;' : + + Ất, / < oy, (> ở 5 U, = ku = + Hình 2.4: Mô hình bộ nghịch lưu cau 1 pha (H_ Bridge) và mô hình áp trung bình nhánh nghịch lưu Mô hình nghịch lưu cầu I pha có thé xem như gồm 2 mạch nghịch lưu I nhánh được ghép lại. Nhánh]: Bao gồm: uạ,¡, áp nghịch lưu Ujo, Ta có áp trung bình: (2.11) Nhanh 2: Bao gồm: Ua, áp nghịch lưu uyo, Ta có áp trung bình: (2.12 ta có áp tải trung bình: (2.13) Các tinh chat được rút ra: Khi cùng tăng hoặc cùng giảm áp điều khién của tat cả các nhánh, áp thu được giữa 2 đầu tải không thay đổi. Đề chứng minh điều này ta đặt (2.19) Gia trị ham vp, được gọi là ham offset. - Ham offset là ham cộng thêm vào tat cả các hàm điều khién của các nhánh nghịch lưu.

- Ham offset không làm thay đổi kết quả điều khiến áp tải trung bình. Điều kiện: 0 < (%,+Vo) LA 1 (2.21) Một số tinh chat của ham offset: Xét giới hạn của ham offset vy Nếu đặt: max = Max(x1, x2) (2.23) GỌI Vomao Vomin là các giới han trên và dưới của ham offset vo, ta có: %¡+Uạ S max+ vos 1Ự =1, 2) (2.24) > Vomax SS 1-max (2.25) Tuong tu: xj + 2 mint v= OG = 1, 2) (2.27) > Vomin SẼ Ö -Tnín (2.28) Sử dụng hàm offset thích hợp dé đạt chế độ gián đoạn (Discontinuous PWM) lúc đó 1 trong 2 nhánh mạch sẽ không có chuyển mạch, khi đó các khóa bán dẫn sẽ giữ nguyên 1 trạng thái. Điều này xảy ra khi ta muốn điều khiển giảm tốn hao đóng ngắt. Trang 21 Vomax wì Lâu iN Tt Udk1 0L | ~ ns Udk1 "Ta\/ a.5: Giản đô điện ap nghịch lưu Bằng cách chọn , chất lượng áp tải sẽ được cải thiện Bộ nghịch lưu áp 3 pha: £31 ⁄%:¿ JS: + O1 Val o2 - ——O3 (* (* {8 Hình 2.6: Mo hình bộ nghịch lưu ap 3 pha 2 bậc Trong hình 2.6: Vq là nguồn 1 chiều cung cá cho bộ nghịch lưu, các khóa S¡,S¡ˆ là khóa bán dẫn của pha 1, các khóa S5,S,’ là khóa bán dẫn của pha 2, các khóa Sa,S+' là khóa bán dẫn của pha 3, Trang 22 {=) O1 i KH ig `=/ Oo? U,, = k.7- Mo hình ap trung bình nhánh nghịch lưu Giản đô đóng ngắt: Hình 2.8: Giản đô đóng ngắt các khóa linh kiện So sánh các tín hiệu điêu khiên với song tam giác ta sẽ thu được giản đô xung đóng ngắt như hình 2.

Quan hệ áp nghịch lưu và áp điêu khién: (2.30) Trang 23 Áp tải: 2110o— U20—U30 U = t1 3 212o— 4o—110 4 Uzt2 = (2.31) 3 2U30-— U10—U20 U = &- 3 Trị trung bình áp tải: ( _ 2M10o~ U290—U30 Ory — 3 212o— 4o—110 4 Ù;› — (2.32) 3 23o— U10—U20 U = 3 3 Dién ap common mode: UzotU290+U3Z0 1L NO = 3 (2.33) Trị trung bình áp common mode: M1o+†1t2o+1:4o U NO = 3 (2.34) Quan hé ap tai va ap nghich luu: Ujo = Ut + Uno Uzq9 = tị.35) Mạo = Uzz + Uno Dat Uno = Vo (2.36) Ta co: Ujo = Ut; + Vo (2.37) Tri trung binh: no = Uy, + Vo U29 = Ủy; + 9g (2.38) Uạo = Ủy; + Vo Trang 24 Quan hệ giữa áp điều khiến và áp tải: Từ các kết qua phân tích trên ta thay dé xác định điện áp điều khiến „„; cần biết áp nghịch lưu Ứ;„. Nếu áp tải U,; đã cho trước, chỉ cần chọn áp common mode thích hợp là xác định được U1o Xác định điện áp common mode: Điện áp Vo có thê chọn bất ky giá tri nào trong giới hạn vạz„„„ Và Vomin Cua nó: Vomin S Yo S Vomax (2.