Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH TUẤN LÊ

NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA NĂM BẬC NPC

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-60520203

S K C0 0 4 7 2 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC :
Họ và tên: Danh Tuấn Lê

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1973

Nơi sinh: Kiên Giang

Quê quán: Kiên Giang

Dân tộc: Khmer

Địa chỉ liên lạc: 132 Cao Thắng, Khu phố 3, Phƣờng Vĩnh Lợi, Thành
phố Rạch Giá, Tỉnh Kiên Giang.

II.

Điện thoại cơ quan: 0773 863 530

Di động: 0918 526 678

Fax: 0773 863 421

Email:

QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO :
Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ : 10/1992 đến 07/1997
Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử
Tên đồ án tốt nghiệp: KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG TỪ XA
Bảo vệ đồ án tốt nghiệp:ngày 10 tháng 07 năm 1997
Ngƣời hƣớng dẫn: Vi Đình Phƣơng

III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC :
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ 12/1997

Trƣờng Cao Đẳng

Giáo viên giảng dạy tại

Đến nay

Kinh Tế– Kỹ Thuật. Kiên Giang khoa Điện – Điện Tử

Trang i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Danh Tuấn Lê

Trang ii


LỜI CẢM TẠ
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, TS.
Quách Thanh Hải,Ths. Đỗ Đức Trí, đã tận tình hƣớng dẫn tôi để

thực hiện luận văn.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trƣờng
Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng
dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho tôi.
Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại
học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ sử dụng
phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D406 trong suốt
thời gian thực hiện luận văn này.
Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ và bạn bè đã động viên tôi
trong suốt thời gian học.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn.
Học viên
Danh Tuấn Lê

Trang iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm
offset nhằm giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lƣu cầu
H-NPC. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng
điện áp điều khiển về các ngƣỡng cực đại hoặc cực tiểu của biên độ sóng mang để
giả giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch. Với
kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu, số lần chuyển mạch của
các khóa công suất/pha trong một chu kỳ có thể giảm đến 30%. Kết quả của giải
thuật đƣợc kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm.
Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K. Các giải
thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP
TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm
MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng 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.

Trang iv


ABSTRACT
This project implemented the carrier wave modulation technique using offset
function aiming to reduce commutation of power switches in H-NPC inverter. The
technique uses the third-order offset function in order to move the control voltage
signal to the maximum or minimum thresholds of the carrier wave amplitudes
aiming to create the intersections for decreasing the number of commutations. In
the proposed technique, the commutations of the power switches per phase can
reduce to 30% in every period. The proposed results can be verified through the
simulation and the experiment.
The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120.
The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the
embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink
combined with the software Code Composer Studio V3.3, which compile
automatically to C-language and download to processor without programming
again.

Trang v


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii
LỜI CẢM TẠ .......................................................................................................................iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... iv
ABSTRACT........................................................................................................................... v

MỤC LỤC ............................................................................................................................ vi
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................... ix
DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................................. x
DANH SÁCH BẢNG .......................................................................................................... xii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1
1.1. Tổ ng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ......... 1
1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................... 1
1.1.2. Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố ............................................................ 2
1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc: ..................................................................... 2
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ...................................................................... 3
1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................ 4
1.3. Mục đích của đề tài ......................................................................................................... 4
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài : ................................................................................... 5
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................ 5
1.6. Điểm mới của đề tài : ...................................................................................................... 5
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài : ............................................................................................. 5
Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 6
2.1. Tổ ng quan về nghich
̣ lƣu đa bâ ̣c ..................................................................................... 6
2.1.1 Khái niệm ................................................................................................................... 6
2.1.2 Phân loại ..................................................................................................................... 6
2.2 Các cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc ................................................................................... 7
2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) .............................................. 7
2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] ................................... 8
2.2.3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng cascade .................................................................... 8
2.2.4. Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng H-NPC .................................................................. 9

Trang vi

2.2.5. Nhận xét.................................................................................................................. 10
2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. .................... 10
2.3.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM ....................................................... 10
2.3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM) .......... 12
2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: ............................................................... 13
2.3.3.1 Khái niệm vector không gian:........................................................................... 13
2.3.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc: .............................................. 14
2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc ............... 17
Chƣơng 3 : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ................................................... 20
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH BA PHA NĂM BẬC H-NPC ..................... 20
3.1. Nguyên lý bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC ....................................................... 20
3.2. Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lƣu ba pha 5 bậc H-NPC ............................................. 22
3.2.1 Kỹ thuật PWM dùng sóng mang .............................................................................. 22
3.2.1.1 Tổng quan kỹ thuật PWM dùng sóng mang ..................................................... 22
3.2.2.2 Kỹ thuật PWM dùng nhiều sóng mang............................................................. 24
3.2.2.3 Phƣơng pháp PWM đề xuất : .......................................................................... 25
3.3. Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC .................... 27
3.3.1. Thông số mô phỏng ................................................................................................. 27
3.2.2. Mô hình mô phỏng .................................................................................................. 28
3.2.3. Chức năng các khối trong mô hình.......................................................................... 29
3.2.3.1 Khối tạo sóng sin .............................................................................................. 29
3.2.3.2 Khối sóng mang: ............................................................................................... 29
3.2.3.3 Khối xung kích: ........................................................................................................ 30
3.3.1 Kết quả mô phỏng .................................................................................................... 31
3.3.2 Phân tích FFT ........................................................................................................ 33
3.3.3 Bảng phân tích FFT áp tải với các chỉ số điều chế ................................................ 34
3.3.3.1

Phân tích FFT áp tải ................................................................................... 34

3.3.3.2 So sánh phƣơng pháp đề xuất với các phƣơng pháp đã công bố ở Việt Nam . 35
3.4. Kết luận : ....................................................................................................................... 37
Chƣơng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ...................................................... 38
VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................................................ 38

Trang vii


4.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm ............................................................................. 38
4.2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm ............................................................................... 38
4.2.1.Mạch động lực .......................................................................................................... 38
4.2.2. Mạch điều khiển ...................................................................................................... 39
4.3 Tổng thể mô hình thực nghiệm ...................................................................................... 43
4.4. Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng ......................................... 44
4.4.1. Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng .................................................................. 44
4.4.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink....................................................... 45
4.5. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng ............................................................................... 46
4.5.1. Kết quả xung kích .................................................................................................... 46
4.5.2 Điện áp pha tâm nguồn ............................................................................................. 47
4.5.3 Điện áp pha tâm tải ................................................................................................... 49
4.5.3.1 Điện áp tải với chỉ số điều chế m =1, tải R-L , R = 82Ω và L = 50mH. .......... 49
4.5.3.2 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải .................................................................... 52
4.5.3.3 .Đặc tuyến điều khiển áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m .............. 52
4.5.3.3 So sánh THD giữa mô phỏng và thực nghiệm.................................................. 54
4.5.3.4 So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam ...... 55
4.6 .Kết luận ......................................................................................................................... 56
CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................... 57
5.1 Những kết quả đạt đƣợc ................................................................................................. 57
5.2 Kết luận .......................................................................................................................... 57
5.3 Hƣớng phát triển của đề tài ............................................................................................ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 59
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 61

Trang viii


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
Ac

: Biên độ đỉnh sóng mang

Am

: Biên độ đỉnh sóng điều khiển

APOD

: Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác
bố trí dịch pha 1800.

C

: Tụ lọc nguồn DC.

fc

: Tần số sóng mang

fm

: Tần số sóng điều khiển

H-NPC

: Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc
kiểu diode kẹp cầu H

IA

: Dòng điện tải pha A.

K

: Số khóa chuyển mạch/1 pha

L

: Điện cảm tải.

m

: Chỉ số điều chế.

ma

: Tỉ số điều chế biên độ

mf

: Tỉ số tần số

MSPWM : Modified Sin Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung cải biên
PD

: In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha.

PWM

: Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung

R

: Điện trở tải.

S

: Các khóa đóng ngắt.

THD

: Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng do sóng hài.

Vac

: Điện áp dây nguồn lƣới ba pha.

Vd

: Điện áp DC của bộ chỉnh.

Vref

: Điện áp tải tham chiếu

A

: Ampe – Đơn vị đo dòng điện

V

: Voltage – Đơn vị đo điện áp

CPWM :Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mangPWM

Trang ix


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2. 1: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng NPC ................................................................................. 7
Hình 2. 2: Bộ nghi ̣ch lưu áp dạng ke ̣p tụ............................................................................... 8
Hình 2. 3: Bộ nghi ̣ch lưu áp đa bậc dạng cascade ................................................................ 9
Hình 2. 4: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng H-NPC ................................................................. 9
Hình 2. 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục.[8] ............... 12
Hình 2. 6 :Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn [8] ........... 12
Hình 2. 7 : Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/sóng mang [8] ........ 12
Hình 2. 8 : Dạng sóng điều khiển, ....................................................................................... 13
Hình 2. 9: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc ...................................................... 15
Hình 2. 10: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 5 bậc .................................................... 16
Hình 2. 11: Phân tích phương pháp SVM............................................................................ 17
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý.................................................................................................... 20

Hình 3.2 : Sơ đồ phân tích 1 pha 5 bậc H-NPC .................................................................. 21
Hình 3.3 : Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang ................................................ 22
Hình 3.4: sơ đồ khối tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang .............................................. 24
Hình 3. 5: So sánh sóng mang và udk tạo xung kích ............................................................ 24
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang. ..................................... 25
Hình 3.7 : Mô tả nguyên lý giải thuật đề xuất ..................................................................... 26
Hình 3. 8 : Lưu đồ giải thuật đề xuất................................................................................... 27
Hình 3. 9: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab .................................................................... 28
Hình 3.10: Mô hình mô phỏng vòng hở bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc H-NPC ....................... 28
Hình 3.11: Khối tạo áp điều khiển ....................................................................................... 29
Hình 3.12: Áp điều khiển 3 pha với dạng sóng sin cải biến ................................................ 29
Hình 3.13: Khối tạo sóng tam giác với tần 3kHz ............................................................... 29
Hình 3.14: Dạng sóng mang tam giác với tần số 3kHZ : C1, C2, C3, C4 ............................. 30
Hình 3.15:Sơ đồ khối tạo xung kích..................................................................................... 30
Hình 3.16: Udk kết hợp với 4 sóng mang Uc1, Uc2, Uc3, Uc4.......................................... 31
Hình 3.17: Dạng sóng tạo xung kích pha a ......................................................................... 31
Hình 3.18: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn .................................................................... 31
Hình 3.19: Dạng sóng điện áp dây 3 pha : Uab, Ubc, Uca .................................................... 32
Hình 3. 20: Dạng sóng điện áp tải pha a............................................................................. 32
Hình 3. 21: Dạng sóng điện áp tải 3 pha............................................................................. 32
Hình 3. 22: Dạng sóng dòng điện tải pha a......................................................................... 33
Hình 3. 23 : Dạng sóng dòng điện tải 3 pha....................................................................... 33
Hình 3.24: kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a ................................................ 33
Hình 3.25: Đặc tuyến THD u theo chỉ số điều chế m ......................................................... 36

Trang x


Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm ................................................................... 38
Hình 4. 2 : Sơ đồ nối dây và ảnh thực tế board mạch IGBT ............................................... 39

Hình 4. 3: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT FGA25N120 .............................................. 39
Hình 4. 4: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 ....................................................................... 40
Hình 4. 5 : Sơ đồ nguyên lý mạch đệm. ............................................................................... 40
Hình 4. 6 : Sơ đồ mạch đệm thực nghiệm. ........................................................................... 40
Hình 4. 7 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver ........................................................... 41
Hình 4. 8 : Sơ đồ nguyên lý mạch driver ............................................................................. 41
Hình 4. 9: Sơ đồ mạch driver thực nghiệm. ......................................................................... 42
Hình 4. 10 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. .......................................................................... 42
Hình 4. 11: Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm. ...................................................................... 42
Hình 4. 12: Mô hình thực nghiệm ........................................................................................ 43
Hình 4. 13 : Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L ............................................................. 43
Hình 4. 14 : Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng ........... 44
Hình 4. 15 : Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/Simulink. ....................... 45
Hình 4. 16 : Dạng sóng xung kích (từ trên xuống dưới, từ trái qua phải ) ......................... 46
Hình 4. 17 : Dạng sóng xung kích mô phỏng và thực nghiệm ............................................. 46
Hình 4. 18 : Dạng sóng xung kích pha c mô phỏng và thực nghiệm. .................................. 46
Hình 4. 19 Dạng sóng điện áp pha a tâm nguồn ................................................................. 47
Hình 4. 20 Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn ................................................................. 47
Hình 4. 21 Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn ................................................................. 48
Hình 4. 22 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm điện áp pha a tâm tải .............................. 49
Hình 4. 23 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm điện áp pha b tâm tải. ............................. 49
Hình 4. 24 : là dạng sóng điện áp pha c tâm tải.................................................................. 50
Hình 4. 25: kết quả dạng sóng điện áp pha tâm tải, mô phỏng và thực nghiệm ................. 50
Hình 4. 26 : kết quả thực nghiệm......................................................................................... 51
Hình 4. 27 : kết quả thực nghiệm......................................................................................... 51
Hình 4. 28 : Kết quả mô phỏng và thực nghiệm .................................................................. 52
Hình 4. 29 Đặc tuyến điều khiển áp tải hiệu dụng pha a theo chỉ số m .............................. 53
Hình 4. 30 : Đặc tuyến điều khiển dòng tải hiệu dụng pha a theo chỉ số m ........................ 53
Hình 4. 31 Đặc tuyến THD theo chỉ số m ........................................................................... 54
Hình 4. 32 : Kết quả phân tích FFT của 3 phương pháp bằng thực nghiệm....................... 56

Trang xi


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 : Trạng thái đóng ngắt các khóa pha a ................................................................ 21
Bảng 3. 2: Phân tích FFT áp tải pha a ................................................................................ 34
Bảng 3. 3 : phân tích FFT áp tải của các phương pháp khác ............................................. 35
Bảng 4. 2: Đặc tuyến THDu theo chỉ số điều chế của kết quả mô phỏng và thực nghiệm.. 54
Bảng 4. 3 : Kết quả thực nghiệm của các phương pháp đề xuất, ........................................ 55

Trang xii


Chương 1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1.

Tổ ng quan về lĩnh v ực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc

1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đƣợc ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi
và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp
nguồn cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong
công nghiệp…Với ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần

số đƣợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng
đƣợc cải tiến dần.
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 đƣợc 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 2 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 đƣợc sử dụng trong một số ứng dụng nhƣ: Bộ biến đổi tần số cho động cơ,
bộ lƣu điện (UPS), nguồn cấp điện chung và cũng cho bộ cấp năng lƣợng trên mặt
đất (GPU) cho máy bay. Biến tần tĩnh thƣờng đƣợc 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 lƣu, tức là điều khiển biến đổi DC/AC.Nghiên cứu điều khiển
nghịch lƣu đã có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu
các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đã và đang đƣợc thực hiện ngày một nhiều

Trang 1


Chương 1

hơn và chủ yếu tập trung vào các mạch nghịch lƣu đa bậc. Hiện nay có 2 hƣớng
nghiên cứu về giải thuật nghịch lƣu đa bậc là kỹ thuật nghịch lƣu theo điều chế
vector không gian và kỹ thuật nghịch lƣu điều chế sóng mang. Năm 2005, tạp chí
IEE Proceedings 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 tích hóa tƣơng quan SVPWM và CPWM. Kết quả nghiên

cứu trên đã giúp thống nhất hai trƣờng phái nghiên cứu SVPWM và CPWM, hoàn
thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lƣu đa bậc.Hiện
nay bộ nghịch lƣu áp đa bậc 3 pha đƣợc sử dụng rộng rãi do những ƣu điểm của nó
nhƣ công suất cao hơn, chất lƣợng dòng 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. Với cấu hình
nghịch lƣu 3 bậc chúng ta đã có khá nhiều nghiên cứu và về cơ bản nghịch lƣu 3
bậc đã bắt đầu tiến tới việc sản xuất và thƣơng mại hóa. Tuy nhiên, cấu hình nghịch
lƣu 3 bậc cũng đã bắt đầu bộc lộ một số nhƣợc điểm mà ta khó khắc phục. Ví dụ
nhƣ độ méo hài tổng khá lớn, điện áp common mode khá lớn [6,12] và việc triệt tiệu
điện áp này là khá khó khăn. Vì vậy vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu cấu hình mới
giải quyết thỏa mãn các yêu cầu thực tế đề ra. Cấu hình nghịch lƣu 5 bậc lai là một
cấu hình nghịch lƣu cho thấy nhiều khả năng đáp ứng điều này. Chính vì vậy việc
chọn hƣớng nghiên cƣ́u của đ ề tài là: “Nghiên cƣ́u bô ̣ n ghịch lƣu 3 pha 5 bậc
NPC”là phù hợp và cấp bách.
1.1.2. Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố
1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc:
Trong những năm vừa qua các nhóm nghiên cứu trong nƣớc có khá nhiều
nghiên cứu về nghịch lƣu đa bậc.
Nghiên cứu bộ nghịch lƣu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc
lai) trong luận văn thạc sĩ của mình tác giả Bùi Thanh Hiếu đã trình bày mô phỏng
và thực nghiệm bằng phƣơng pháp điều chế mới cho biến tần lai cầu H ba pha gồm
hai nhánh NPC 3 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu quả
trong việc giảm common-modevới THDUta = 27,11%[2].

Trang 2


Chương 1

Vấn đề cân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 bậc dùng

Zero-Sequence Vottage đã đƣợc tác giả Lê Văn Mạnh Giàu trình bày mô phỏng trên
Matlab với nhiều chỉ số điều chế và tải khác nhau để kiểm tra độ chính xác của giải
thuật, với số lần chuyển mạch cao và THDUta = 35,66% [6].
Năm 2012, tại hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012
nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải
đã trình bày một nghiên cứu nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong
nghịch lƣu 3 bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao và THDUta = 50,99% [9].
Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều
khiển tối ƣu nghịch lƣu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc
nghịch lƣu đa bậc bao gồm các nghịch lƣu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch
lƣu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [11].
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Có khá nhiều nghiên cứu ngoài nƣớc liên quan đến đề tài đã đề xuất trong đó
phải kể đến các nghiên cứu sau:
- “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge
Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device
Switching Frequency” [3].Đây là nghiên cứu tiêu biểucho hƣớng điều chế sử dụng
kỹ thuật SVPWM. Bài báo tập trungtrình bàymộttrình tựchuyển mạchtheođiều
chếvector không giannhằm tối ƣu hóachocáccải thiệngiảm hài bậc cao và giảm tần
số chuyển mạch của các khóa công suất. Cấu hình nghịch lƣu trong nghiên cứu là
cấu hình nghịch lƣu lai 5 bậc. Trong đó, mỗi pha của nghịch lƣu bao gồm hai nhánh
NPC, một nhánh đƣợc kết nối với thiết bị đầu ra (tải) và nhánh còn lại kết nối với
điểm trung tính. Mỗi cầu H đƣợc cung cấp bởi nguồn DC độc lập.
- “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over
Modulation Operation” [13]. 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 phƣơng
pháp SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính toán trƣớc đó,việc
tính toán trên cho một biến tần n bậc trở nên dễ dàng hơn. Các thuật toán SVPWM

Trang 3

Chương 1

đề xuất có thể đƣợc áp dụng trong cả hai chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá
điều chế. Biến tần 5 bậc H-NPC sử dụng các phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất ở trên,
với số lần chuyển mạch ít và THD áp tải < 5% .
1.2.

Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển

nghịch lƣu đã và đang đƣợc thực hiện ngày càng nhiều hơn và với sự phát triển
nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam cũng đang
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 đƣợc sản xuất
ngày càng nhiều, đƣợc ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát
triển hết sức mạnh mẽ.
Để đáp ứng cho nhu cầu thực hành trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay tại
các trƣờng Đại học, Cao đẳng, các phòng thí nghiệm phải trang bị rất nhiều các mô
hình thí nghiệm hiện đại, đắt tiền. Đối với một số trƣờng, nguồn kinh phí để đáp
ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế. Điểm chung của các mô hình này là bộ điều
khiển có khả năng nhúng các thuật toán điều khiển thông minh. Trong lĩnh vực tự
động hóa, có rất nhiều thuật toán điều khiển từ cổ điển đến hiện đại 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 là DSP TMS320F28335 kết hợp với Matlab. Đây là một công cụ
mạnh, linh hoạt mà giá thành lại rất phù hợp.
Việckết hợp giữa IC DSP TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều
khiển linh hoạt, giúp ngƣời học hiểu rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực
tự động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tƣợng.

1.3. Mục đích của đề tài
Nghiên cứuphƣơng pháp kỹ thuật điều chếđộ rộng xung cải biến cho bộ
nghịch lƣu áp 5 bậc H-NPC.
Thực hiện mô phỏng giải thuật đề xuất trên phần mềm Matlab và thực nghiệm
trên môhình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC.

Trang 4


Chương 1

Từ kết quả so sánh giữa mô phỏng với mô hình thực nghiệm sẽ đề xuất các
hƣớng nghiên cứu tiếp theo và các ứng dụng cho nghịch lƣu 5 bậc H-NPC trên cơ sở
các bộ tiêu chuẩn Việt Nam về nguồn điện.
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài:
 Thành lập mô hình và mô phỏng giải thuật đề xuất trên Matlab
 Xây dựng mô hình thực nghiệm và Lập trình nhúng DSP F28335 bằng
Matlab/Simulink để thực nghiệm trên mô hình thực tế.
 Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lƣu đa bậc
- Ứng dụng kỹ thuật điều chế CPWM xây dựng mô hình mô phỏng và thuật
toán điều khiển sử dụng phần mềm Matlab cho bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc HNPC.
- Thực nghiệm giải thuật trên mô hình nghịch lƣu 5 bậc H-NPC.
- So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng kết hợp với các TCVN để rút ra
các kết luận trong việc ứng dụng thực tế nghịch lƣu 5 bậc H-NPC.
1.6. Điểm mới của đề tài:
- Đề tài đã triển khai ứng dụng phƣơng pháp điều chế CPWM trên cấu hình
nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC.
- Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật CPWM trên nghịch lƣu 3 pha 5 bậc HNPC

- Dựa trên các tiêu chuẩn TCVN để đề xuất khả năng và phạm vi ứng dụng
của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài:
- Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện, đặc
biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.
-Cho thấy khả năng triển khai và ứng dụng nguyên lý điều chế CPWM trên
cấu hình nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC.
- Xác định đƣợc phạm vi ứng dụng của nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC.

Trang 5


Chƣơng 2

Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổ ng quan về nghịch lƣu đa bậc
2.1.1 Khái niệm
Bộ nghịch lƣu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi nănglƣợng từ nguồn điện một
chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghịch
lƣu áp là một bộ nghịch lƣu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tƣợng
điều khiển ngõ ra là điện áp. Bộ nghịch lƣu dòng là bộ nghịch lƣu có nguồn cung
cấp là nguồn dòng và đối tƣợng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng.
Bộ nghịch lƣu 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 đƣợc chỉnh lƣu từ điện
áp xoay chiều đƣợc lọc phẳng…Các tải xoay chiều thƣờng mang tính cảm kháng
nhƣ động cơ xoay chiều, lò cảm ứng…), dòng điện qua các linh kiện không thể
đóng ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, linh kiện trong bộ nghịch
lƣu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó. Trong các ứng dụng với công
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.
2.1.2 Phân loại
Bộ nghịch lƣu áp có nhiều loại cũng nhƣ nhiều phƣơng pháp điều khiển
khác nhau:
+ Theo số pha : nghịch lƣu một pha, nghịch lƣu 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 lƣu áp hai bậc có nhƣợc điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn
dây động cơ với độ dốc (dv/dt) khá lớn gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại
trạng thái khác zero của tổng điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC (commonmode
voltage) lớn. Bộ nghịch lƣu đa bậc phát triển để giải quyết hạn chế của nghịch lƣu
hai bậc và nó thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn.

Trang 6


Chƣơng 2

Ƣu điểm của bộ nghịch lƣu áp đa bậc là công suất của bộ nghịch lƣu 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 lƣu hai bậc [2].
+ Theo cấu hình bộ nghịch lƣu: dạng cascade (cascade converter), dạng
diode kẹp NPC (neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lƣu kẹp tụ
(Flying capacitor converter), các loại nghịch lƣu lai …
+ Theo phƣơng pháp điều chế:
 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM).
 Phƣơng pháp điề u chế vector không gian (SVPWM)
 Phƣơng pháp điều chế sóng mang(Carrier Based PWM).
2.2 Các cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc

2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped)
Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu áp NPC. Bộ nghịch lƣu đa bậc
NPC có một mạch nguồn DC đƣợc phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ
chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng
nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt đƣợc n+1 giá trị khác nhau và số
bậc điện áp nghịch lƣu là n+1 bậc.

Hình 2. 1: Bô ̣ nghich
̣ lƣu áp da ̣ng NPC

Trang 7


Chƣơng 2

Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lƣu đa bậc, dv/dt trên
linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nửa [2]. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu
gai áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp
trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2]

Hình 2. 2: Bô ̣ nghich
̣ lƣu áp dạng kẹp tụ

Ƣu điểm chính của bộ nghịch lƣu này là:
+ Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó
có thể điều tiết đƣợc phân bố công suất trong lƣới dùng biến tần.
Nhƣợc điểm chính của bộ nghịch lƣu này là:

+ Số lƣợng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá
thành tăng và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lƣu tăng cao.
2.2.3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng cascade
Sƣ̉ du ̣ng các nguồ n DC r iêng, thích hợp cho trƣờng hợp sử dụng nguồn DC
có sẵn, ví dụ : dƣới da ̣ng acquy, pin. Hình 2.3 là bộ nghịch lƣu Cascad e gồ m nhiề u

Trang 8


S

K

L

0

0

2

1

5

4