(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu điều khiển giảm điện áp common mode cho nghịch lưu cascade

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM THỊ KIM THÊ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE
CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 7 2 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM THỊ KIM THÊ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN
GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON MODE
CHO BỘ NGHỊCH LƯU CASCADE

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS: NGUYỄN VĂN NHỜ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: PHẠM THỊ KIM THÊ
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1985
Nơi sinh: Bến Tre
Quê quán: Tân Thanh Tây, Mỏ Cày Bắc, Bến Tre
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 113, Ấp 2, Tam Hiệp, Châu Thành, Tiền Giang
Điện thoại cơ quan: 0733919922
Điện thoại di động: 01234559638
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng sư phạm kỹ thuật:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 10/2004 đến 3/2008
Nơi học (trường, thành phố): Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm

Thời gian đào tạo từ 12/2010 đến 12/2012
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
12/2012 đến nay

Nơi công tác
Trường TCN Khu Vực Cai Lậy

Luan van

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên dạy nghề


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Thị Kim Thê

Luan van

LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
đã nhiệt tình hướng dẫn tơi hồn thành chuyên đề này.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng
dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt, thân
thiện cho tôi.
Xin cảm ơn các anh chị em học viên lớp KĐĐ2013B ngành
Kỹ thuật điện cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong
phịng thí nghiệm HTNL trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.

Luan van


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày tồn bộ nội dung nghiên cứu cũng như thiết kế và thực thi
bộ nghịch lưu cầu H nối tầng đa bậc thông qua tải R-L hoặc động cơ. Trong đề tài này
tập trung giải quyết bài toán giảm điện áp common-mode. Vẫn dựa trên nguyên tắc
chung là sử dụng các vector "cho phép", những vector có điện áp common-mode nhỏ, để
điều chế trên vector điện áp yêu cầu. Đề tài xây dựng một giải thuật đơn giản dựa trên kỹ
thuật sóng mang cho phép dễ dàng kiểm soát và giảm điện áp common-mode ở vùng
tuyến tính và quá điều chế. Kỹ thuật được thực hiện trước tiên ở 5 bậc và dễ dàng mở
rộng ra bậc cao hơn. Các chương trình mơ phỏng và lập trình trên DSP được đưa ra phân
tích để chứng minh.
Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW40N120K. Các giải thuật
điều khiển đề xuất được thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F
28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mơ hình mơ phỏng trên phần mềm
MATLAB/SIMULINK kết hợp chương trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên

dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại.

ABSTRACT
This thesis presents the entire content of the research as well as design and
implement H-bridge cascade inverter via a RL or engine load. In this topic focus on
solving problems common-mode voltage reduction. Still based on the general principle
of using the vector "enable", the vector common-mode voltage small, so the voltage
vector modulation on request. Subject construct a simple algorithm based on carrier
techniques allows easy control and reduce common-mode voltage in the linear region
and the modulation. The technique first implemented in 5 level and easy expanding
higher level. The program simulation and programming on DSP analysis is given to
demonstrate.
A simulated model was builded on Matlab/Simulink software for
calculating parameters and ensuring proposed algorithms. A experimental model, which
using STGW40N120K IGBT and TI microprocessor DSP TMS320F28335, was
established for validation. Control program was program on Simulink model then
generate C-code and import to CCS software , micro processor automatically but not
required reprogramming.

Luan van


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

v

Danh sách các chữ viết tắt

vi

Danh sách các hình

vii

Danh sách các bảng

viii

Chương 1: Tổng quan

1

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

1

1.2 Mục đích của đề tài

2

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

2

1.4 Phương pháp nghiên cứu

2

1.5 Điểm mới của đề tài

2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

3

2.1 Tổng quan về nghịch lưu đa bậc Cascade

3

2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ nghịch lưu 5 bậc Cascade

8

2.3 Kỹ thuật điều khiển bộ biến tần 5 bậc Cascade
Chương 3: Thiết kế mô hình thực nghiệm

13
18

3.1 Sơ đồ chung hệ thống mạch cơng suất

18

3.2 Khối điều khiển và các thành phần khác

19

Chương 4: Phân tích bài tốn giảm điện áp Common mode cho bộ nghịch lưu đa
bậc Cascade

27

4.1 Xây dựng giải thuật giảm điện áp Common mode

27

4.2 Mô phỏng biết tần 5 bậc Cascade

39

Chương 5: Thực nghiệm giảm Common-mode trên mơ hình Cascade 5 bậc

Luan van


với kỹ thuật lập trình nhúng

50

5.1 Mơ tả thực nghiệm bằng kỹ thuật nhúng

50

5.2 Mơ hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink

54

5.3 Kết quả thực nghiệm

57

Chương 6: Kết luận và đề xuất

76

Tài liệu tham khảo

77

Phụ lục

78

Luan van


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
THD:

Độ méo dạng hài tổng (Total Harmonic Distortion)

CMV:

Điện áp common mode (Common Mode Voltage)

SPWM:

Điều chế độ rộng xung sin (Sin Pulse Wide Modulation)

DSP:

Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor)

CPU:

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing unit)

IGBT:

Transistor lưỡng cực có cổng cách điện (Insulated Gate Bipolar Transistor)

ADC:

Bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog-to digital Converter)

PWM:

Điều chế độ rộng xung (Pulse Wide Modulation)

CPWM:

Điều chế độ rộng xung với kỹ thuật sóng mang (Carrier base Pulse Wide

Modulation)
SVPWM:

Điều chế độ rộng xung với kỹ thuật vector không gian (Space Vector Pulse

Wide Modulation)
SCI:

Giao diện truyền thông nối tiếp (Serial Communications Interface)

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha (j = A, B, C)

6

Bảng 2.2: Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha (j = A, B, C)

7

Bảng 4.1: Bảng số liệu mô phỏng mạch công suất

40

Bảng 4.2: Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng giải thuật
giảm điện áp common mode

46

Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật giảm điện áp common mode

49

Bảng 5.1: Bảng số liệu thực nghiệm

57

Bảng 5.2: Bảng kết quả thực nghiệm trong vùng điều chế tuyến tính

52

Bảng 5.3: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.4

58

Bảng 5.4: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.5

60

Bảng 5.5: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.6

62

Bảng 5.6: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.7

64

Bảng 5.7: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.8

66

Bảng 5.8: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=0.866

68

Bảng 5.9: Bảng kết quả thực nghiệm trong vùng quá điều chế

70

Bảng 5.10: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=1.0

70

Bảng 5.11: Kết quả thực nghiệm ở chỉ số m=1.017

72

Bảng 5.12: Tổng hợp kết quả thực nghiệm

74

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade

4

Hình 2.2: Cấu trúc nghịch lưu cascade 3 bậc

5

Hình 2.3: Giản đồ vector khơng gian của bộ nghịch lưu cascade 3 bậc

6

Hình 2.4: Bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

7

Hình 2.5: Giản đồ vector khơng gian của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

8

Hình 2.6: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục

9

Hình 2.7: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn

10

Hình 2.8: Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và
tỉ số biên độ sóng sin/ biên độ sóng mang

10

Hình 2.9: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu ba bậc

12

Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện tương đương bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

13

Hình 2.11: Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang

14

Hình 2.12: Sơ đồ ngun lý tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang

15

Hình 2.13: Kết quả mơ phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang

16

Hình 2.14: Tách uđkj thành 4 sóng điều khiển  ,  ,  , 

17

1j

2j

3j

4j

Hình 2.15: Sơ đồ khối kỹ thuật PWM dùng một sóng mang

17

Hình 3.1: Sơ đồ chung của hệ thống

18

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

19

Hình 3.3: Thi cơng mạch nguồn

19

Hình 3.4: Sơ đồ ngun lý mạch nguồn và mạch kích

20

Hình 3.5: Thi cơng mạch lái các IGBT

20

Hình 3.6: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335

21

Hình 3.7: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335

24

Hình 3.8: Sơ đồ mạch đệm bảo vệ DSP

25

Hình 3.9: Hình các mạch điều khiển xung kích mơ hình thực nghiệm

25

Luan van


Hình 3.10: Hình mạch cơng suất và các CB đóng cắt

26

Hình 4.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha 5 bậc kết nối với tải

28

Hình 4.2: Sơ đồ một pha của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc và bảng trạng thái

30

Hình 4.3: Giản đồ vector khơng gian của bộ nghịch lưu 5 bậc

30

Hình 4.4: Giới hạn của vùng giảm điện áp common-mode của bộ nghịch lưu 5 bậc

32

Hình 4.5: Giản đồ đóng ngắt 3 pha theo các giá trị phần ngun và phần dư

34

Hình 4.6: Giản đồ khơng gian điện áp với các giá trị của FL và F

35

Hình 4.7: Giản đồ chuyển mạch theo các trường hợp của FL a) FL=5, 6 b) FL=3, 4

36

Hình 4.8: Sơ đồ giải thuật cho kỹ thuật giảm điện áp common mode

37

Hình 4.9: Giới hạn của các vùng điều chế bộ nghịch lưu 5 bậc

38

Hình 4.10: Tổng quan mơ hình mơ phỏng cascade 5 bậc

41

Hình 4.11: Chi tiết khối tạo sóng sin rời rạc

41

Hình 4.12: Chi tiết khối xử lý áp điều khiển

42

Hình 4.13: Kết quả mơ phỏng khối tách áp điều khiển

43

Hình 4.14: Chi tiết mạch cơng suất cascade 5 bậc

43

Hình 4.15: Khối tải RL 3 pha

44

Hình 4.16: Dạng sóng điện áp nghịch lưu UA0 khi chưa giảm CMV

44

Hình 4.17: Dạng sóng dịng tải khi chưa giảm CMV

45

Hình 4.18: Phân tích hài dịng tải khi chưa giảm CMV

45

Hình 4.19: Điện áp dây UAB khi chưa giảm CMV

46

Hình 4.20: Điện áp common mode khi chưa sử dụng giải thuật

46

Hình 4.21: Mơ hình mơ phỏng kỹ thuật giảm CMV bằng kỹ thuật Offset Base PWM 47
Hình 4.22: Dạng sóng điện áp nghịch lưu UA0 khi giảm CMV

47

Hình 4.23: Dạng sóng dịng tải khi giảm CMV

48

Hình 4.24: Phân tích hài dịng tải khi giảm CMV

48

Hình 4.25: Điện áp dây UAB khi giảm CMV

49

Hình 4.26: Điện áp common mode khi sử dụng giải thuật

49

Hình 5.1: Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng

50

Hình 5.2: Thư viện Target Preferences

51

Luan van


Hình 5.3: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng

52

Hình 5.4: Thư viện chip support với các khối chức năng lập trình nhúng

52

Hình 5.5: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ ra digital

53

Hình 5.6: Cửa sổ khai báo ePWM

53

Hình 5.7: Mơ hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/ simulink
điều khiển giảm CMV cho bộ nghịch lưu cascade 5 bậc

54

Hình 5.8: Cửa sổ khai báo thơng số khối F28335 eZdsp

55

Hình 5.9: Cửa sổ khai báo thơng số khối tạo sóng sin

55

Hình 5.10: Khối xử lý tạo xung kích

56

Hình 5.11: Khối xuất xung kích từ card DSP28335

56

Hình 5.12: Biểu đồ thực nghiệm giảm CMV theo chỉ số điều chế

74

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Bộ nghịch lưu hiện nay khơng cịn là một khái niệm mới mẽ nữa, có trên tất cả
các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trị 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 cơng trình nghiên cứu về nghịch lưu lại rất khiêm tốn
đặc biệt là về nghịch lưu đa bậc. Phần lớn kết quả các cơng trình nghiên cứu dựa trên
cơ sở lý thuyết và phần mềm mô phỏng, số bậc trong các mơ hình thực tế cịn thấp. Do
đó việc đưa các cơng 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 q trình
đóng ngắt chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu sinh ra điện áp Commonmode ảnh hưởng đến tải. Vì thế, vấn đề đặt ra là làm thế nào để giảm điện áp commonmode trên bộ nghịch lưu mà điển hình là bộ nghịch lưu cascade.
1.2 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

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

trong hầu hết các ngành cơng 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 q trình điện phân trong cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng
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 cơng suất cao hơn, chất lượng dịng điện và điện áp ngõ ra tốt hơn,
mạch lọc ngõ ra nhỏ hơn,v.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

Luan van


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 mơ
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.
1.3 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 mơ phỏng trên phần mềm Matlab
và xây dựng mơ 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 pq. Điểm trung tính của bộ nghịch lưu NPC làm giảm dịng rị mà khơng 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 mơ phỏng hai loại nghịch lưu áp hai, ba bậc kết hợp với việc

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 3

Luan van


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.
1.4. 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 tốn khơng 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 tốn khơng gian Vector.
- Xây dựng mơ hình hóa mơ phỏng bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc cascade với kỹ thuật
giảm điện áp Common-mode.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm sử dụng card DSP 28335.
- So sánh mô phỏng với thực nghiệm.
- Chạy thực nghiệm chạy không tải, tải RL.
1.5 Giới hạn đề tài
Trong đề tài này tập trung nghiên cứu:
- Chỉ khảo sát mô hình và mơ 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

Luan van


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 mơ phỏng từ Matlab Simulink qua card DSP28335.
1.6 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo, phân tích, tổng hợp, sử dụng có chọn lọc tài liệu từ các cơng trình nghiên
cứu, các bài báo đã được cơng bố trên các tạp chí chun ngành trong nước và ngồi
nước.
- Mơ phỏng bằng phần mềm chun dụng trên máy tính như MATLAB.
- Lập trình nhúng điều khiển mơ 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 mơ 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.
1.7 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 thơng qua thơng 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.
1.8. Ý nghĩa thực tiễn
Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, cũng như
nhu cầu về năng lượng cao của các thiết bị công nghiệp. Các trường đại học, Cao đẳng,
các phịng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mơ hình thí nghiệm hiện đại, đắt tiền.
Đối với một số trường, nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế.
Điểm chung của các mô hình này có thể ứng dụng nhúng các thuật tốn để điều khiển .
HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 5

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Trong lĩnh vực tự động hóa, có rất nhiều thuật tốn điều khiển từ cổ điển đến hiện đại
nhưng ở đây đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất nhanh. Công cụ để thực
hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay được chọn dùng DSP28335 kết hợp với
Matlab. Đây là một công cụ mạnh, linh hoạt mà giá thành lại rất phù hợp.
Việc kết hợp giữa DSP28335 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều khiển linh hoạt,
giúp người học nắm rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa mà
khơng cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng.
Các kết quả mơ phỏng và thực tiễn trên mơ hình bộ nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc
Cascade cho thấy dạng sóng ra tương ứng gần giống như mô phỏng bằng phần mềm
Matlab-Simulink, điện áp Common-mode giám 50%, dạng sóng ít nhiễu, giảm sóng
hài, độ mịn sóng sin cao, ứng dụng trong thực tiễn nghiên cứu cho các sinh viên thực
hành, các nghiên cứu sinh và trong đời sống, trong công nghiệp.v.v…
Đề tài này phát triển giải thuật giảm điện áp Common-mode dựa trên kỹ thuật
sóng mang và khơng gian vector. Trong đề tài này cịn trình bày một kỹ thuật lập trình
nhúng DSP F28335 từ Matlab/Simulink, điều này giúp cho những người lập trình
khơng chun có thể dễ dàng lập trình vi xử lý để phát triển giải thuật.

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 6

Luan van

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu đa bậc cascade
2.1.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu
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 [1]-[5]. 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 dòng là bộ nghịch lưu có nguồn cung
cấp là nguồn dịng 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 là: pin điện, ắc quy, điện áp một chiều được chỉnh lưu từ điện áp xoay
chiều được lọc phẳng…Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng như động cơ
xoay chiều, lị cảm ứng…), dịng điện qua các linh kiện khơng thể đóng ngắt bằng q
trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng
kích đóng, ngắt dịng qua nó. Trong các ứng dụng với cơng suất lớn có thể dùng GTO,
IGBT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Mỗi linh kiện còn mắc thêm diode đối
song để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện.
Phân loại: Bộ nghịch lưu áp có nhiều loại cũng như nhiều phương pháp điều
khiển khác nhau:
+ Theo số pha: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha.
+ Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn trên
mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên)
Bộ nghịch lưu áp hai bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây

động cơ dv/dt khá lớn gây ra hiện tượng common- mode (UNO  0) rất lớn. 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.

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 7

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lưu tăng lên,
điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt
của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành phần hài bậc cao của
điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc.
+ Theo cấu hình bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade converter), dạng nghịch
lưu chứa diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lưu tụ
điện thay đổi (Flying capacitor converter),các loại nghịch lưu lai.
2.1.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade

Hình 2.1 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng Cascade
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp cho trường hợp sử dụng nguồn DC có
sẵn, ví dụ: dạng acquy, pin. Bộ nghịch lưu Cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu áp cầu H
một pha ghép nối tiếp với nhau. Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ
nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd , 0, Vd) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt
động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd, -2Vd,

...-nVd); n mức điện áp dương (Vd, 2Vd,…nVd) và mức áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu
HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 8

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ
nghịch lưu (2n+1) bậc.
Tần số đóng ngắt trong một linh kiện có thể giảm đi n lần, và dv/dt cũng vậy.
Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần [6], cho phép sử dụng IGBT điện áp
thấp. Ngồi ra cịn có dạng ghép từ ngõ ra của bộ nghịch lưu áp ba pha, cấu trúc này
cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân
bằng điện áp các nguồn DC, khơng tồn tại dịng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên
cần sử dụng biến áp ở ngõ ra.
2.1.3 Bảng trạng thái đóng ngắt và giản đồ vector không gian bộ nghịch lưu đa
bậc cascade
2.1.3.1 Bộ nghịch lưu Cascade 3 bậc
Xét một pha (j= A,B,C) của bộ nghịch lưu Cascade 3 bậc như hình 2.2 [1]. Trong
phân tích này, gọi Vc=Vd là điện áp trên tụ c1 và S11j , S21j là các khóa bán dẫn trên
mạch, S12j, S22j lần lượt là các khóa bán dẫn trạng thái đảo của S11j, S21j,. Biểu diễn
trạng thái kích linh kiện bằng giá trị 1 và trạng thái khóa linh kiện bằng 0.
j

s11j

s22j

s12j

s21j

Vd

0

Hình 2.2: Cấu trúc nghịch lưu Cascade 3 bậc

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 9

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Bảng 2.1 Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha(j =A,B,C)
Uj0

(S11j, S21j)

Sj

-Vd

(0,0)

0

0

(1,0);(0,1)

1

+Vd

(1,1)

2

Giản đồ vector khơng gian:
020 Pha B

120

220

221

121
021

210
110

010
122
022
011

222
111

211

000

100

200 Pha A

112

212

001

101

012

201

002

Pha C

102

202

Hình 2.3 Giản đồ Vector không gian của bộ nghịch lưu cascade 3 bậc
2.1.3.2 Bộ nghịch lưu Cascade 5 bậc
Xét một pha (j= A,B,C )của bộ nghịch lưu Cascade 5 bậc như hình 2.4 [1-5].
Trong phân tích này, gọi Vd1=Vd2=Vd là điện áp trên tụ c1,c2 và S11j , S21j, S31j , S41j là
các khóa bán dẫn trên mạch, S12j, S22j , S32j, S42j lần lượt là các khóa bán dẫn trạng thái
đảo của S11j , S21j, S31j , S41j. Biểu diễn trạng thái kích linh kiện bằng giá trị 1 và trạng
thái khóa linh kiện bằng 0.

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 10

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
j

s11j

s22j

s12j

s21j

s31j

s42j

s32j

s41j

Vd1

Vd2

0

Hình 2.4 Bộ nghịch lưu Cascade 5 bậc
Bảng 2.2 Trạng thái áp nghịch lưu xét trên từng pha(j =A,B,C)
Uj0

(S11j, S21j, S31j, S41j)

Sj

-2Vd

(0,0,0,0)

0

-Vd

(0,0,0,1) (0,0,1,0) (0,1,0,0) (1,0,0,0)

1

0

(1,0,0,1) (0,0,1,1) (0,1,1,0) (1,1,0,0)
(0,1,0,1) (1,0,1,0)

2

Vd

(1,1,1,0) (1,1,0,1) (1,0,1,1) (0,1,1,1)

3

2Vd

(1,1,1,1)

4

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 11

Luan van


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
Pha B
240

140

040

241

141

340
341

440
441

041
030

142 031 242
342
020 131

042

230

130

120

430

330
431
320

442 331
220

420

243

143

343
443

232 332 221
432
421
410
021
010 121
310
110
210
4444
032
244
433
3333
344 011
144
411
311 422
2222 211
133
300
033
122 233
200
022
100
1111
400
322
0000

101
201
234
412
134
112 334 323 434
423
034
401
223 001
301
023
012
212
043

044

113
224 002 324

124
013

024

014

Pha C

202
313 424
102

114

214
003

004

104

314
103

204

203

304

413
302
414
303

Pha A

402

403

404

Hình 2.5 Giản đồ Vector không gian của bộ nghịch lưu cascade 5 bậc
2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) cho bộ nghịch lưu Cascade 5 bậc
2.2.1 Phương pháp điều chế SPWM (Sin Pulse Wide Modulation).
SPWM: Sin Pulse Width Modulation. Để tạo ra giản đồ xung kích đóng ngắt các
linh kiện trong một pha, người ta sử dụng một sóng mang tam giác và một tín hiệu điều
khiển dạng sin. Đối với bộ nghịch lưu n bậc, số sóng mang được sử dụng là n-1, chúng
có cùng tần số fc và biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Gọi Am và fm lần lượt là biên độ đỉnh – đỉnh
và tần số của sóng điều khiển. Sóng điều khiển thay đổi quanh tâm của hệ thống n-1
sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện tương ứng đó
được điều khiển kích đóng tương ứng ngược lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng
mang nào đó thì linh kiện bị kích khóa.
Gọi ma chỉ số biên độ (amplitude modulation ratio) [1]:

HVTH: Phạm Thị Kim Thê

Trang 12

Luan van