ĐỒ án điều KHIỂN tự ĐỘNG HOÁ hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
--------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Vinh Quan
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Trung Phương

19142215

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2022

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên thực hiện: Huỳnh Trung Phương MSSV: 19142215
Chuyên ngành: CNKT Điện – Điện tử
Nội dung: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỐ HỆ THỐNG ĐIỆN
CƠNG NGHIỆP
GV hướng dẫn và đánh giá: TS. Nguyễn Vinh Quan
NHẬN XÉT
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2022
GIẢNG VIÊN ĐÁNH GIÁ

2


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐA BẬC......................................5
1. Giới thiệu về biến tần bậc 7.........................................................................5
1.2. Các loại biến tần đa bậc.........................................................................7
1.2.1. Diode_clamped Inverter..................................................................7
1.2.2. Capacitor_Clamped Inverter........................................................10
1.2.3. Cascade Inverter............................................................................13
1.3. Các phương pháp điều khiển..............................................................14
CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG MATLAB...............................................................25

2.1. Cơ sở lí thuyết.........................................................................................26
2.2. Mơ phỏng Matlab...................................................................................27
Tài liệu tham khảo.........................................................................................36

3


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối
điện năng, đùng trong công nghiệp… Và một trong những ứng dụng của nó là
dùng cho các ứng dụng cơng suất cao. Do đó, điện áp và dịng điện phải được
nâng lên tương ứng. Vì vậy mà cơng suất định mức của linh kiện bán dẫn sẽ là
một trở ngại. Ngồi ra, chúng ta khó có thể sử dụng các lính kiện bán dẫn cơng
suất trực tiếp với lưới điện trung áp hay cao áp (2.3, 3.3, 6.9KV,…) mà cần có
giải pháp tốt hơn như là biến tần đa bậc để có thể làm việc với cấp điện áp cao
hơn. Khi đó điện áp cung cấp cho thiết bị sẽ được điều khiển tốt hơn. Hiện nay,
nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc đã được nghiên cứu và ứng
dụng điển hình như phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM và phương
pháp điều chế vector không gian SVPWM đã cho một kết quả nhất định. Tuy
nhiên, các phương pháp này cũng gặp phải những phức tạp trong việc điều
khiển do đó kết quả thu được cũng còn hạn chế. Và một trong những phương
pháp điều khiển cho biến tần đa bậc có thể cho phép thực hiện điều khiển một
cách đơn giản hơn nhờ sự hỗ trợ kỹ thuật số như dựa vào những lợi điểm của
hai phương pháp trên là kỹ đa điều chế MM (multimodulation).
Xuất phát từ việc này mà yêu cầu đặt ra cho luận văn này: Nghiên cứu
kỹ thuật đa điều chế cho biến tần đa bậc. Áp dụng kỹ thuật đa điều chế đơn
sóng mang để điều khiển biến tần bậc 7 cascade. Khảo sát tính ổn định ở xác
lập của các đáp ứng tải khi sử dụng biến tần bậc. Trong đó, biến tần bậc 7 dạng
cascade và đồng bộ kích nam châm vĩnh cửu dùng để khảo sát.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN ĐA BẬC
1. Giới thiệu về biến tần bậc 7
Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện
một chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Tùy thuộc vào đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện mà
ta có được tương ứng bộ nghịch lưu áp VSI (Voltage Source Inverter) hay bộ
nghịch lưu dòng CSI (Current Source Inverter).
Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là
nguồn áp và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lưu dịng là bộ
nghịch lưu có nguồn cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra
là nguồn dòng.
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn
điện áp một chiều có thể lấy từ: pin điện, ắc quy, hoặc từ điện áp xoay chiều
được chỉnh lưu rồi lọc phẳng.
Các linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt
dịng qua nó. Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT,
MOSFET, IGBT. Với cơng suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết
hợp với bộ chuyển mạch. Mỗi cơng tắc có một diode mắc đối song với nó. Các
diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu khơng điều khiển có
chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc. Nó có nhiệm vụ để
hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện.
Bộ nghịch lưu áp hai bậc chứa hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải
được gọi chung là bộ nghịch lưu áp hai bậc. Nhược điểm của nó là tạo ra điện
áp có độ dốc (dv/dt) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng
thái điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC khác không. Bộ nghịch lưu đa bậc
phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch lưu hai bậc và nó thường được sử

dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn.
5


Về cơ bản biến tần đa bậc gồm các dãy linh kiện bán dẫn công suất và
các nguồn áp phụ thuộc vào bậc của biến tần. Thuận lợi của biến tần đa bậc so
với biến tần 2 bậc truyền thống là điện áp ngõ sẽ được cải thiện tốt hơn do số
bậc điện áp nhiều hơn. Vì vậy, biến tần có bậc càng cao thì độ méo dạng hoạ
tần ở điện áp ngõ ra càng giảm, bộ lọc điện áp ở ngõ ra biến tần sẽ nhỏ hơn;
điện áp chịu đựng và tần số đóng cắt của linh kiện đóng cắt cũng giảm. Tuy
nhiên, mức độ phức tạp của biến tần là tăng lên.
Hình vẽ dưới đây cho thấy điện áp sin ở ngõ ra của biến tần đa bậc là sự
tổng hợp của nhiều cấp điện áp (biến tần bậc 7).

Hình 1. Điện áp ngõ ra biến tần bậc 7
– Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:
• Công suất của bộ nghịch lưu tăng lên. Đối với tải cơng suất lớn, điện
áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn.
• Điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do
q trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo.
• Tần số đóng ngắt lớn, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra
giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc.
- Nhược điểm: Cần nhiều linh kiện trong lắp đặt và điều kiện khó khăn
hơn nghịch lưu hai bậc dẫn đến giá thành cao hơn.

6


1.2.

Các loại biến tần đa bậc
Biến tần đa bậc thường được phân loại theo cấu trúc sơ đồ của nó,
thường thì có ba dạng phổ biến là:
 Dạng diode_clamped inverter;
 Dạng capacitor_clamped inverter (hay flying capacitor);
 Dạng cascaded inverter.

1.2.1. Diode_clamped Inverter
Biến tần bậc 3 dạng diode_clamped (hay gọi là NPC converter) được
giới thiệu vào năm 1981.

Hình 2. Biến tần bậc 3 dạng diode kẹp
Sau đó dạng này được mở rộng thành dạng biến tần bậc cao hơn bên
dưới đây:

7


Hình 3. Biến tần bậc 7 dạng diode kẹp

Hình 4. Dạng sóng của biến tần bậc 7 dạng diode kẹp
8


Diode_clamped multilevel inverter sử dụng một nguồn
điện áp DC chia ra nhiều bậc DC bởi các tụ mắc nối tiếp. Và dựa
trên các diode để cố định bậc điện áp ở ngõ ra, ở đây mỗi bậc
tương ứng với mức điện áp trên mỗi tụ trong bus DC.

Hình 4. Sơ đồ tương đương của biến tần bậc 4 dạng kẹp

Với cơng tắc n vị trí trên mỗi pha có:

với i = {a,b,c…};

Nếu điện áp phân bố trên các tụ điên là cân bằng thì:

với i = {a,b,c};

n: Bậc của biến tần.
Dạng sóng điện áp ngõ ra của biến tần đa bậc dạng này với điện
áp trên các tụ điện là cân bằng:

9


Hình 5. Các mức điện áp pha A ngõ ra của biến tần với các trạng
thái đóng cắt khác nhau
Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng diode_clamped
 Số tụ điện là ít nhưng phải thêm diode kẹp trong sơ đồ. Có
thể sử dụng một nguồn áp DC. Khi biến tần có bậc lớn
hơn 3 thì điện áp mà diode kẹp phải chịu đựng là V DC (n2)/(n-1) cao.
 Do đó sẽ phức tạp trong thiết kế như phải kết nối nối tiếp
diode. Vấn đề không cân bằng điện áp các tụ điện ở biến
tần đa bậc dạng này có thể gây ra quá áp trên một hay
nhiều linh kiện đóng cắt.
1.2.2. Capacitor_Clamped Inverter
Cũng tương tụ như dạng diode_clamped, ở đây cấu trúc sơ đồ
gồm các tụ điện được sắp xếp lớp lên nhau mà khơng có các diode
kẹp. Điện áp ngõ ra là kết hợp của các tụ điện mắc nối tiếp trên sơ
đồ.

10


Hình 6. Sơ đồ tương đương 1 pha
Ở đây thì hoặc công tắc Shi hoặc công tắc dưới SLi ở mỗi cặp sẽ
trạng thái ON. Nhưng cả hai công tắc này khơng được cùng trạng
thái tại cùng thời điểm, vì vậy gây ra ngắn mạch ở trên các tụ điện.
Bảng trạng thái đóng cắt có thể có của các cặp cơng tắc cho biến tần

Hình 7. Mức điện áp ngõ ra pha A ứng với các trạng thái đóng cắt
có thể có

11


12


Hình 8. Biến tần 7 bậc tụ kẹp
Một ưu điểm của biến tần dựa trên tụ kẹp là nó có dự phịng cho các
mức điện áp bên trong hay nói cách khác, hai hoặc nhiều tổ hợp nhiều công tắc
hợp lệ có thể tổng hợp điện áp đầu ra. Đối với (m-1) tụ điện liên kết DC, biến
tần đa cấp tụ điện bay cấp m sẽ yêu cầu (m-1)*(m-2)/2 tụ điện phụ trên mỗi
pha nếu định mức điện áp của tụ điện bằng với định mức điện áp của tụ điện
các cơng tắc chính.
Ứng dụng:
 Bộ bù VAR tĩnh;
 Biến tần động cơ;
 Kết nối hệ thống cao áp;

 Đường dây truyền tải DC và AC cao áp.
1.2.3. Cascade Inverter
Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghịch lưu đầy đủ một pha
nối tiếp nhau và mỗi cầu nghịch lưu này sử dụng một nguồn áp DC độc lập.
Thông thường, nguồn DC này được lấy từ máy biến áp có nhiều cuộn dây
thứ cấp độc lập,

hoặc

từ nhiều biến áp

riêng

biệt.

13


Hình 9. Biến tần bậc 7 dạng Cascade
Mỗi cầu H tạo ra ba mức điện áp khác nhau, +V DC, 0, -VDC liên kết với
các nguồn DC với điện áp đầu ra AC bằng tổ hợp khác nhau của bốn cơng tắc
Q1, Q2, Q3 và Q4 như trong hình 9. Cầu H xếp tầng biến tần đa cấp
(CHBMLI) như trong hình 9 sử dụng ba nguồn DC và nó tạo ra bảy mức điện
áp đầu ra.
Để có được +Vdc, các công tắc Q1 và Q4 được bật trong mỗi ô, trong
khi mức -Vdc được tạo ra bằng cách bật Q2 và Q3.

Với: n là số bậc của biến tần (số lượng ô được kết nối trong kết nối nối tiếp);
m là số lượng mức đầu ra trong mỗi pha.
Bằng cách xem xét các kỹ thuật thích hợp trong điều chế và vận hành

mạch, dạng sóng từng bước của điện áp đầu ra sẽ được tạo ra. Các dạng sóng
được tạo ra sẽ gần với dạng sóng hình sin khi số mức tăng lên. Đầu ra của điện
áp xoay chiều được cho bởi phương trình:

Các đặc điểm của biến tần đa bậc dạng Cascaded Inverter
Dạng biến tần này là không cần thêm diode hay tụ điện như biến tần đa bậc
dạng diode_clamped, tuy nhiên số bậc điện áp ngõ ra cũng tương tự.

14


Số bậc điện áp có thể tăng lên để đễ dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu
nghịch lưu vào.
Biến tần dạng cascaded lại cần nhiều nguồn DC độc lập trên mỗi bộ nghịch
lưu, trong khi dạng diode_clamped thì có thể chỉ cần một nguồn DC.
Để cân bằng công suất cho các nguồn DC thì có thể tuần hồn sử dụng các
nguồn DC trong chu kỳ. Việc làm này cho tần số đóng cắt linh kiện bán dẫn
trong sơ đồ cũng cân bằng.

1.3. Các phương pháp điều khiển
Tương ứng với các loại biến tần đa bậc thì cần có các phương
pháp điều khiển, điều chế thích hợp. Các phương pháp điều chế này
cũng có thể được phân loại theo tần số đóng cắt.
Nói chung thì có hai phương pháp phổ biến nhất dùng cho biến
tần đa bậc là phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM) và
phương pháp điều chế vector không gian (SVM).
Khi làm việc với tần số đóng cắt cao thì phổ biến là phương pháp
cổ điển SPWM và bẳng cách dịch chuyển pha sóng mang cũng như sóng
điều chế để giảm méo dạng ở điện áp ngõ ra.
Khi làm việc với tần số đóng cắt thấp hơn (tức chỉ có một hoặc

hai lần đóng cắt ở linh kiện bán dẫn công suất trong một chu kỳ điện áp
cơ bản) thì phương pháp đại diện là điều khiển vector không gian SVC.
Do hai loại biến tần đa bậc phổ biến nhất là dạng diode_clamped và
dạng cascaded nên ở đây chỉ giới thiệu các phương pháp điều khiển
thường gặp ở hai loại này.
Đối với biến tần đa bậc dạng diode_clamped thì phương pháp phổ biến
nhất là SPWM: theo phương pháp này các trạng thái đóng cắt của các
linh kiện bán dẫn được xác định dựa vào phần giữa các sóng mang tam
giác và tín hiệu điều chế dạng sin.
Biến tần n bậc sẽ có (n-1) sóng mang tam giác cùng pha, tần số, biên độ
được phân bố trong dãy –VDC tới +VDC và một sóng điều chế hình sin

15


được so sánh với mỗi sóng mang tam giác này để xác định trạng thái
đóng cắt các cặp tiếp điểm của biến tần đa bậc.
Bằng việc thay đổi pha sóng mang từ sóng mang tam giác nguyên thuỷ
sẽ có 3 phương pháp điều chế dạng SPWM được đưa ra là:
 APOD (Alternative Phase Opposition): phương pháp này thì sóng
mang sẽ dịch chuyển 180o so với sóng mang tam giác tiếp giáp;
 POD (Phase Opposition Disposition): các sóng mang nằm phía
trên điểm zero và các sóng mang phía dưới điểm zero sẽ lệch
nhau 180o ;
 PD (Phase Disposition): tất cả các sóng mang là cùng tần số, biên
độ.

Hình 10. Sóng mang và sóng điều chế theo phương pháp APOD

16

Hình 11. Kỹ thuật điều chế PD cho biến tần dạng diode kẹp 5 bậc

Hình 12. Kỹ thuật điều chế POD cho DCMLI 5 bậc
Để tạo tín hiệu PWM hình sin, một sóng hình sin được cung cấp làm tín
hiệu tham chiếu. Tần số của sóng hình sin bằng với tần số của điện áp đầu ra
mong muốn để điều chế tín hiệu sóng mang. chuyển mạch tần số của tín hiệu
sóng mang phải cao hơn tần số tín hiệu tham chiếu dưới dạng số ba N. Khi cả
hai tín hiệu được điều chế sẽ tạo xung tín hiệu cho các thiết bị đóng cắt cho
biến tần.

17


Hình 13. Điều chế độ rộng xung hình sin theo HIPWM

Để tạo tín hiệu PWM tiêm hài hịa, nó có thể được xem xét trong tín hiệu
tham chiếu. Tần số của một tín hiệu tham chiếu phải giống với tần số đầu ra
mong muốn. Tín hiệu tham chiếu bao gồm các tín hiệu cơ bản và các thành
phần tần số sóng hài thứ ba như các phương trình sau:

Biên độ của k nằm trong khoảng 0,15 đến 0,2. Kết quả là dạng sóng như trong
hình 14:

18


Hình 14. Tín hiệu tham chiếu Harmonic Injection
Tín hiệu tham chiếu là tín hiệu đưa sóng hài sẽ được điều chế với tín hiệu

sóng mang như trong Hình 14. Sau khi điều chế, nó sẽ tạo xung tín hiệu đến
các thiết bị chuyển mạch trong biến tần như hình 15.

Hình 15. Điều chế độ rộng xung điều hòa
Phương pháp điều chế Vector không gian (SVM: Space Vector Modulation):

19


Điều khiển Vector điện áp tương đương (vector trung bình trong chu kỳ lấy
mẫu Ts) sao cho quỹ đạo của nó di chuyển liên tục theo đường trịn. Ở đây
vector điện áp được biểu diễn qua 3 vector đỉnh gần nhất với thời gian chốt
tương ứng các đỉnh:

Phương pháp này để thực hiện phần cứng bằng xử lý tín hiệu số DSP, tuy nhiên
khi bậc của biến tần tăng thì trạng thái hoạt đóng cắt tăng làm cho việc lựa
chọn trạng thái đóng cắt phức tạp.

Hình 16. Sơ đồ Vector không gian của biến tần bậc 7

20


Hình 17. Sơ đồ vector khơng gian của biến tần CHB bảy cấp
Biến tần bậc 5 trong trường hợp đa điều chế đầy đủ thì số tín hiệu điều chế trên
mỗi pha của biến tần là:

Hình 18. Topology of 5-level multilevel inverter
Cấu trúc của biến tần 7 cấp tương tự như biến tần 5 cấpcấu trúc liên kết,
chỉ có mạch phụ trợ bây giờ được thêm vào với một mạch bổ sung. Nói chung,

21


biến tần 7 cấp bao gồm một biến tần fullbridge, hai công tắc hai chiều (công tắc
phụ mạch) và ba tụ điện như bộ chia điện áp được minh họa trong hình 19. Để
đảm bảo rằng dịng điện chạy từ các mảng quang điện đến lưới điện, điện áp
bus DC cao là cần thiết.
Bộ lọc LCL được sử dụngđể lọc dịng điện được đưa vào lưới tiện ích.
Bảy mức điện áp đầu ra có thể đạt được khi chuyển đổi tín hiệu đối với các
IGBT trong cấu trúc liên kết đã được thực hiện đúng cách.

22


Hình 19. Topology of 7-level multilevel inverter

Các đặc điểm của điều chế đa mang:
Các thành phần của mẫu điều chế MP có thể được xác định từ các
thành phần của mẫu đa điều chế MMP:

Giá trị common mode (CM):

Tín hiệu điều chế Vrxe là tín hiệu tạo ra điện áp điểm trung tính DC
Vx0:

Tín hiệu điều chế này có thể xác định qua bộ p_tín hiệu điều chế:

Hoặc có thể biểu diễn qua mẫu điều chế MP:

23

Điện áp thứ tự không:

Kỹ thuật điều chế PD discontinuous PWM là trường hợp đặc biệt
của kỹ thuật điều chế.
Kỹ thuật đa điều chế là sự kết hợp của kỹ thuật SPWM và SVPWM
nên rõ ràng nó sẽ tốt hơn phương pháp PD discontinuous PWM như trong
việc cân bằng tổn thất đóng cắt trên thiết bị đóng cắt ở các chỉ số điều chế
khác nhau, cũng như giảm thiểu số lần đóng cắt phụ bằng cách ln
chuyển các tín hiệu sóng điều chế thơng qua các bộ mẫu điều chế một
cách thích hợp.
Kỹ thuật đa điều chế cũng có thể được sử dụng trong việc cân bằng
điện áp điểm trung tính đối với biến tần đa bậc dạng diode kẹp.
Tuy nhiên, kỹ thuật đa điều chế này cũng có một vài khó khan khi
điều khiển như số lượng sóng mang tam giác và tín hiệu sóng điều chế
khơng đầy đủ hay kỹ thuật điều đa điều chế đơn sóng mang thông qua sự
sự hỗ trợ kỹ thuật số.
Kỹ thuật đa điều chế đơn sóng mang SMM là phương pháp đơn
giản hơn kỹ thuật đa điều chế đa mang. Nó có thể được hỗ trợ điều khiển
bằng kỹ thuật số do việc điều chế thông qua ma trận [Sjk] với các phần tủ
có giá trị 0 và 1.

24


Xác định tín hiệu điều chế mong muốn cho từng cặp tiếp điểm trên mỗi pha theo công
thức đề cập ở trên:
25