CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH LỰC NGHIÊN CỨU Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, đi kèm theo đó là các yêu cầu cao trong khâu truyền động động cơ, đó là khâu không thể thiếu được trong các dây chuyền công nghiệp. Nhiệm vụ chính của hệ thống truyền động là thực hiện điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành để tạo nên các chuyển động phức tạp. Việc phát triển công nghệ bán dẫn đã giúp chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền động ngày càng phức tạp trên.
Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện đó là bộ biến đổi tần số hay còn gọi là biến tần. Có 02 loại biến tần là biến tần tĩnh và biến tần động. Biến tần tĩnh dựa trên việc điều khiển đóng ngắt các khóa bán dẫn công suất và chúng được sử dụng trong một số ứng dụng như: Bộ biến đổi tần số cho động cơ, bộ lưu điện (UPS), nguồn cấp điện chung và cũng cho bộ cấp năng lượng trên mặt đất (GPU) cho máy bay. Biến tần tĩnh thường được chia ra thành 2 loại là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
Việc điều khiển biến tần gián tiếp tập trung vào điều khiển mạch nghịch lưu, tức là điều khiển biến đổi DC/AC. Bên cạnh bộ nghịch lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ, nó đã hiện hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện. Đối với ngành công nghiệp, khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số số này đến tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và chiếm ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội của nó. Có nhiều phương pháp để chỉnh lưu như chỉnh lưu 2 bậc NPC, 3 Bậc NPC, chỉnh lưu đa bậc, chỉnh lưu caccade….Các bộ nghịch lưu đa bậc hiện nay có các ưu điểm là sử dụng bán dẫn có điện áp định mức thấp hơn cho các ứng dụng có điện áp trung bình và có công suất cao, các sóng hài điện áp có biên độ thấp hơn, kích thước bộ lọc nhỏ hơn, tổn hao chuyển mạch thấp hơn, nhiễu điện từ thấp hơn, điện áp ngược trên các bán dẫn công suất thấp hơn và ít gây ra tiếng ồn.
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 16 Luan van 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. 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 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. 17 Luan van 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, THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP CASCADE 7 BẬC SỬ DỤNG KIT STM32F407 THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG”. 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… 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 điều khiển bằng STM32F407 trên thuật toán cascade, chạy thực nghiệm tải RL đây chính là điểm mới của đề tài. 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, trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giải 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 có các tác giả 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 trung vào hai vấn đề chính đó là: Nghiên cứu giải thuật điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu cascade 7 bậc, thiết kế 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 trong 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%.
Năm 2010 nhóm nghiên cứu của Federal University of Pernambuco - Recife, PE - BraZil, 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. 18 Luan van Điểm trung tính của bộ nghịch lưu NPC làm giảm dòng rò mà không cần bổ sung thêm phần cứng. “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [14]. Đây là nghiên cứu tiêu biểu cho hướng điều chế sử dụng kỹ thuật SVPWM.
Bài báo tập trung trình bày một trình tự chuyển mạch theo điều chế vector không gian nhằm tối ưu hóa cho các cải thiện giảm hài bậc cao và giảm tần số chuyển mạch của các khóa công suất. “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation” [15]. Bài báo này đề xuất một thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa trên tiêu chuẩn SVPWM hai bậc. Kể từ khi các phương pháp SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính toán trước đó,việc tính toán trên cho một biến tần n bậc trở nên dễ dàng hơn.
Các thuật toán SVPWM đề xuất có thể được áp dụng trong cả hai chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá điều chế. Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [5]. 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 [9]. Đã trình bày mô phỏng hai loại nghịch lưu áp hai, ba bậc kết hợp với việc 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. 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 [10]. 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. 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 19 Luan van hiện thực hiện thành công kỹ thuật cân bằng tụ thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng DSP 28335 từ Matlab/Simulink [11].