CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Ngày nay thiết bị nghịch lưu được sử dụng rất phổ biến từ trong hộ gia đình cho đến các nhà máy sản xuất trong nhiều lĩnh vực ví dụ như trong nghịch lưu nối lưới hệ thống điện phân phối[1], trong điều khiển động cơ[6], trong hệ thống điện mặt trời[7]. Nghịch lưu đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy và xí nghiệp, đối với các nhà máy thì việc họ đảm bảo được tính ổn định và liên tục của những động cơ và hệ thống là vấn đề được các doanh nghiệp đặt lên hàng đầu. Nhưng thực tế nghịch lưu có cấu tạo chính từ các khóa bán dẫn do đó vẫn có khả năng hư hỏng. Mỗi 1 khóa hư hỏng thì làm biến tần ngừng hoạt động làm gián đoạn hệ thống vận hành, qua đó trực tiếp dẫn đến tổn thất kinh tế không đáng có cho các nhà máy xí nghiệp[8].
Để đáp ứng yêu cầu đó, Những năm gần đây, có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng và phát triển bộ nghịch lưu hình T[9]. Nghịch lưu hình T là bộ nghịch lưu có nhiều ưu điểm hơn so với các bộ nghịch lưu trước đó như là nghịch lưu NPC truyền thống, nghịch lưu đa cấp kẹp (DCMLI), nghịch lưu đa cấp cầu nối H (CHBMLI). Nhưng song song với các ưu điểm, do nghịch lưu hình T vẫn cần nhiều khóa đóng cắt nên khả năng hở mạch một trong các khóa trên là rất cao, nên đề tài này nhóm sẽ phân tích và vận dụng “Giải thuật tự sửa lỗi khi có một khóa trong mạch nghịch lưu hình T 3 pha bị hở mạch”.2 TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ Việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn với nhiều kết quả có đóng góp quan trọng trong các nghành công nghiệp của thế giới.
Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề mạch nghịch lưu hình T có thể kể đến như sau: Page | 1 do an Tình hình ngoài nước: Trong bài báo “Design and Implementation of 3-Phase 3-Level T-type Inverter with Different PWM Techniques”[9] được công bố năm 2016, các tác giả Amit Singh Jadon, Dr. Anmol Ratna Saxen và Praveen Bansa. Nội dung bài báo nêu lên lợi ích của nghịch lưu 3 cấp hình T so với các loại nghịch lưu khác như : nghịch lưu đa cấp kẹp Diode (DCMLI), biến tần đa cấp Flying Tụ (FCMLI) và biến tần đa cấp cầu nối H (CHBMLI) đã được sử dụng rộng rãi. Các diode kẹp trong được thay thế bằng IGBT để cải thiện phân phối tổn thất bán dẫn.
Bài viết này đề xuất một cấu trúc liên kết biến tần loại T 3 cấp yêu cầu số lượng công tắc và mạch điều khiển cổng ít hơn so với các bộ biến tần đa cấp thông thường. Cấu trúc liên kết loại T đã được đề xuất trước đây ở đây được triển khai theo ba pha với các kỹ thuật PWM khác nhau. Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp hiệu quả nhất để kiểm soát điện áp đầu ra trong các bộ biến tần. Các sơ đồ PWM dựa trên sóng mang được sử dụng cho các bộ biến tần đa cấp là phương pháp hiệu quả nhất, được thực hiện bằng giao điểm của tín hiệu điều chế với dạng sóng mang hình tam giác.
Năm 2014, bài báo[10] “A Fault-tolerant T-type Three-Level Inverter System” được công bố trong IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014, với nội dung nói về cấu hình nghịch lưu hình T, khả năng chịu lỗi tốt hơn của nghịch lưu hình T, trình bày nguyên tắc chuyển đổi từ trạng thái hoạt động bình thường sang sau sự cố khi có lỗi hở một khóa hoặc ngắn mạch. Năm 2015, bài báo[11] “Comparative Analysis of Power Losses for 3-Level NPC and T-type Inverter Modules” phổ biến trên trang IEEE, với nội dung so sánh tổn thất điện năng chuyển mạch của nghịch lưu hình T và nghịch lưu NPC trên mô phỏng PSIM. Năm 2016, bài báo[12] “Investigation of a Fault-tolerant Three-level T-type Inverter System” được công bố bởi tổ chức IEEE, nội dung bài báo đề xuất cấu hình bộ nghịch lưu hình T có thể chịu được lỗi bằng phương pháp cách ly lỗi và thêm cầu chịu lỗi vào mạch nghịch lưu hình T. Page | 2 do an Tình hình trong nước: Hiện nay việc nghiên cứu về nghịch lưu hình T trong nước đã phần nào phổ biến có thể kế đến như nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC thực hiện trong bài báo “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control and Verification” được đăng trên trang web chính thức của tổ chức IEEE vào năm 2017[13].
Cũng nói về đề tài nghịch lưu hình T năm 2018 hai sinh viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Nguyễn Thái Duy, Lê Minh Quý cũng đã bảo vệ thành công đồ án tốt nghiệp đề tài “xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”. với nội dung đề tài thực hiện xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ. Mô hình được thực hiện dựa trên việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 kết hợp với vi mạch FPGA để lập trình tạo ra các xung kích đóng, mở các IGBT tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho tải[2].3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu để tìm ra tài liệu phù hợp với đề tài để vận dụng một cách chính xác vào đồ án. - Phương pháp mô hình hóa để vận dụng những lý thuyết đã tìm hiểu vào thực tế, để từ mô hình ta thu thập được những dữ liệu để chứng minh những lý thuyết trên là đúng.
- Phương pháp thực nghiệm khoa học để kiểm tra tính chính xác của một lý thuyết hoặc một giả thuyết mới để ủng hộ hoặc bác bỏ chúng.4 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Các nhiệm vụ cần thực hiện như sau: Nghiên cứu giải thuật tự sửa lỗi khi có một khóa trong nghịch lưu hình T hở mạch với yêu cầu: Điện áp ra mạch nghịch lưu sau khi sửa lỗi đáp ứng giá trị yêu cầu của tải. Tìm hiểu/phân tích/đưa ra mô hình toán cấu hình nghịch lưu hình T 3 pha 3 bậc. Nghiên cứu kỹ thuật SPWM cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T. Tìm hiểu/phân tích các trạng thái lỗi khi khóa hở mạch trong nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T.
Đề xuất giải thuật tự sửa lỗi khi có một khóa hở mạch trong nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T. Mô phỏng và đánh giá giải thuật đã đề xuất. Page | 3 do an CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 KHÁI NIỆM NGHỊCH LƯU Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi thành năng lượng xoay chiều. Nghịch lưu có hai dạng: nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng.
Nguồn cung cấp cho hai bộ nghịch lưu này tương ứng với tên của nó lần lượt là nguồn áp và nguồn dòng[3]. Năng lượng một chiều được lái thành năng lượng xoay chiều bằng cách điều khiển đóng ngắt các thiết bị công suất (SCR, MOSFET, IGBT, v.v…) với các luật đóng cắt phụ thuộc vào phương pháp điều khiển được sử dụng. Người ta thường phân loại nghịch lưu theo sơ đồ, ví dụ như nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha. Người ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp, nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng.
Ngoài ra còn nhiều cách phân loại nghịch lưu nhưng hai cách trên là phổ biến hơn cả. Khái niệm bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên mạch DC thay đổi giữa hai ba bặc khác nhau, ví dụ khi chọn điểm có điện thế chuẩn là tâm nguồn DC thì điện áp từ pha tải đến tâm nguồn thay đổi giữa 2 giá trị (+U/2) và (-U/2) trong quá trình đóng ngắt các linh kiện thì được gọi là nghịch lưu 2 bậc.2 NGHỊCH LƯU 3 PHA 2 BẬC 2.1 SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU 3 PHA 2 BẶC Để có điện 3 pha ta dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và diode thu hồi năng lượng như sau: Hình 2. 1 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha 2 bậc Page | 4 do an 2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc được cấu thành từ 6 IGBT và 6 diode mắc đối song. Các khóa công suất trên cùng một nhánh không được phép cùng dẫn.
Với giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức[5].1) Và nguồn áp U được phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm nút phân thế O, gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao. Điện áp pha tải Uan, Ubn, Ucn được xác định theo: 𝑈𝑎𝑛 = 𝑈𝑎𝑜 − 𝑈𝑛𝑜 {𝑈𝑏𝑛 = 𝑈𝑏𝑜 − 𝑈𝑛𝑜 (2.2) 𝑈𝑐𝑛 = 𝑈𝑐𝑜 − 𝑈𝑛𝑜 Điện áp Uao, Ubo, Uco được gọi là các điện áp pha tâm nguồn của các pha a, b, c và Uno được gọi là điện áp tâm tải-tâm nguồn, được xác định theo: 𝑈𝑎𝑜 +𝑈𝑏𝑜 +𝑈𝑐𝑜 𝑈𝑛𝑜 = (2.3) 3 Vì vậy, điện áp pha tải và điện áp dây được tính: 2𝑈𝑎𝑜 −𝑈𝑏𝑜 − 𝑈𝑐𝑜 Uan = 3 −𝑈𝑎𝑜 +2𝑈𝑏𝑜 − 𝑈𝑐𝑜 Ubn = (2.4) 3 𝑈𝑎𝑜 −𝑈𝑏𝑜 −2 𝑈𝑐𝑜 Ucn = 3 Như vậy ta có thể xác định được các điện áp pha tải, điện áp dây và do đó cả dòng điện tải cũng như dòng điện pha thông qua điện áp pha – tâm nguồn Uao, Ubo, Uco Các điện áp này lại được xác định thông qua trạng thái đóng cắt của các khóa trong các nhánh pha ví dụ như Sa và Sa’ với pha a. Nếu biểu diễn trạng thái kích dẫn của linh kiện là 1 và trạng thái kích ngắt là 0 thì phương trình biểu diễn trạng thái kích của các linh kiện trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc như sau: 𝑆𝑎 + 𝑆𝑎′ = 1, 𝑆𝑏 + 𝑆𝑏′ =1 và 𝑆𝑐 + 𝑆𝑐′ =1 (2.5) Page | 5 do an 2.3 NGHỊCH LƯU 1 PHA 3 BẬC HÌNH T Dưới dây là sơ đồ nguyên lý mạch hình T một pha, một chu kỳ hoạt động mạch sẽ hoạt động trên 3 chế độ như hình [9]: Hình 2. 2 Mạch tương đương một pha trong mạng 3 pha 3 bậc hình T Hình 2.