Nghiên cứu và thi công bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc diode kẹp điều khiển bằng card DSP f28335

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

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU
3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN
BẰNG CARD DSP F28335
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2015-36TĐ

S KC 0 0 4 8 1 7

Tp. Hồ Chí Minh, 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐƠN VỊ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƯU
3 PHA 3 BẬC DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN
BẰNG CARD DSP F28335
Mã số: T2015-36TĐ
Chủ nhiệm đề tài:Ths. Đỗ Đức Trí

TP. HCM, 11/2015


Mục Lục
Mục lục ......................................................................................................................... 01
Danh mục các hình và bảng ......................................................................................... 03
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................... 06
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài....................................................................................................... 10
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 10
3. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................... 10
4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài ...................................................................... 10
5. Những đóng góp của đề tài ....................................................................................... 11

6. Cấu trúc của đề tài..................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc .................. 12
1. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở nƣớc ngoài ..................................................... 12
2. Điều khiển nghịch lƣu 3 pha 2 bậc ở trong nƣớc...................................................... 12
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3 PHA 3 BẬC NPC ..... 14
2.1. Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC ............................................. 14
2.2. Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC ................. 15
2.2.1 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp .................................................... 17
2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM) ................................ 18

2.2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu áp

18

2.2.3Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM)

19

2.2.4 Phƣơng pháp điều khiển theo vector không gian ................................................. 20
CHƢƠNG3: NỘI DUNG BỘ NGHỊCH LƢU 3 PHA 3 BẬC NPCĐIỀU KHIỂN ........
BẰNG CARD DSP ................................................................................................... 23
3.1. Mô hình toán học, phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC............. 23
3.1.1. Mô hình toán học bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC ........................................ 23
3.1.2. Phƣơng trình toán của bộ nghịch lƣu áp3 pha 3 bậc NPC .................................. 23
3.1.3.Xây dựng bộ điều khiển ....................................................................................... 24
3.1.3.1Phƣơng trình toán điều khiển

24

3.1.3.2 Mô hình toán điều khiển

24

1


3.2. Điều chế độ rộng xung SFO PWM

24

3.3 Xây dựng file đồ mô phỏng

25

3.3.1. Khối tạo xung tam giác

26

3.3.2 Khối tạo so sánh xung tam giác và sóng sin_Xung kích...................................... 27
3.3.3 Khối tạo công suất của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC trong Matlad

29

3.3.4. Khối tải cho nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlad

30

3.3.5 Thông số mô phỏng cho bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC ....................................... 30
3.3.6 Kết quả mô phỏng

31

3.3.6.1 Kết quả mô phỏng khi m=0.7, fabc=50Hz, fVc=1000 Hz

31

3.3.6.2 Kết quả mô phỏng khi m=0.8, fabc=50Hz, fVc=2000 Hz

33

3.3.6.3 Với các thông số m=1, fabc=50Hz, fVc=3000 Hz

34

3.4. Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP và mô hình phần cứng

35

3.4.1 Chƣơng trình mã hóa nhúng vào mô hình thực

35

3.4.2. Phần cứng bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC

36

3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn kích

36

3.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm

37

3.3.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

38

3.3.2.4 Chức năng các khối

39

CHƢƠNG 4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. .............................................. 44
4.1 Những đóng góp của đề tài ..................................................................................... 44
4.2 Hạn chế đề tài .......................................................................................................... 44
4.3 Hƣớng phát triển đề tài ............................................................................................ 44
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 45

2


Danh mục các hình
Hình 2.1
Hình 2.2

Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC
Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj

Hình 2.3

Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp
điều chế độ rộng xung dùng sóng mang

Hình 2.4

Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu áp 3 pha

Hình 3.1

Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.2

Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj

Hình 3.3

Quan hệ tuyến tính giữa m và ma trong phƣơng pháp
điều chế độ rộng xung dùng sóng mang

Hình 3.4

Kết quả mô phỏng giải thuật Sin PWM và giải thuật SFO PWM

Hình 3.5

Dạng sóng điều khiển của bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC áp dụng
giải thuật SFO PWM

Hình 3.6

Sơ đồ kết nối mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc
trong Simulink Matlab

Hình 3.7

Sơ đồ kết nối tạo xung tam giác trong Simulink Matlab

Hình 3.8

Sơ đồ kết nối khối so sánh xung tam giác và sóng sin
trong Simulink Matlab

Hình 3.9

Mạch công suất của mạch nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC
trong Simulink Matlab

Hình 3.10

Sơ đồ khối tải nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC trong Simulink Matlab

Hình 3.11

Tín hiệu điều khiển pha A, B, C bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.12

Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.13

Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.14

THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng
trên powergui Matlab
Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=0.6, fVc=3000Hz

Hình 3.15
Hình 3.16

Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 m=0.8,
fVc=2000Hz

Hình 3.17

THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng
trên powergui m=0.8, fVc=2000Hz

Hình 3.18

Dạng sóng điện áp trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=1, fVc=3000Hz

3


Hình 3.19

Dạng sóng dòng điện trên tải bộ nghịch lƣu 3 pha 2 m=1,
fVc=3000Hz

Hình 3.20

THD Điện áp, dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng
trên powergui m=1, fVc=3000Hz

Hình 3.21

Mô hình phần mềm điều khiểnbộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc
NPCnhúng vào card DSP

Hình 3.22

Sơ đồnguyên lý nguồn kích cho bộ driver

Hình 3.23

Sơ đồ mạch thực tế nguồn kích cho bộ driver

Hình 3.24

Sơ đồnguyên lý mạch đệm và mạch kích cho bộ driver

Hình 3.25

Sơ đồthực tế mạch đệm cho bộ driver

Hình 3.26

Sơ đồthực tế mạch kích cho bộ driver

Hình 3.27

Sơ đồnguyên lý mạch công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.28

Sơ đồmạch thực tế công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.29

Sơ đồmạch thực tế nguồn và công suất 3 pha 3 bậc NPC

Hình 3.30

Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô
phỏng cho pha A

Hình 3.31

Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô
phỏng cho pha B

Hình 3.32

Tín hiệu điều khiển bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc mô hình thực và mô
phỏng cho pha C

Hình 3.33

Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô
phỏng với m=0.8, fc=2000

Hình 3.34

Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô
hình thực với m=0.8, fc=2000

Hình 3.35

Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và
mô hình thực với m=0.8, fc=2000

Hình 3.36

Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô
phỏng với m=1, fc=3000

Hình 3.37

Dạng sóng điện áp và dòng điện bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô
hình thực với m=1, fc=3000

Hình 3.38

Dạng sóng điện áp tải bộ nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC mô phỏng và
mô hình thực với m=1, fc=3000

Mô hình Nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC điều khiển bằng card DSP
hoàn chỉnh

Hình 3.39

4


Danh mục các bảng
Bảng 1

Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC

Bảng 2

Giá trị và thông số tải của bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC

5


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Tp. HCM, Ngày 26 tháng 10 năm 2015

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG BỘ NGHỊCH LƢU 3 PHA 3 BẬC
DIODE KẸP ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP F28335
- Mã số: T2015-36TĐ
- Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí
- Cơ quan chủ trì:Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM
- Thời gian thực hiện:12 tháng
2. Mục tiêu:
 Xây dựng mô hình hóa cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
 Xây dựng file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
 Xây dựng chƣơng trình nhúng với mô hình thực.
3. Tính mới và sáng tạo:
 Về lý thuyết:
- Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3
bậc NPC.
- Luật điều khiển hiện đại.
 Về thực tiễn:
- Cải thiện tổn hao, sóng hài và giá thành cho IGBT.
- Ứng dụng DSP điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, luật điều khiển cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3
bậc NPC.
- Xây dựng file mô phỏng hệ thống cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC theo cơ sở lý
thuyết.
- Xây dựng mô hình thực để thực nghiệm kết quả mô phỏng.
5. Sản phẩm:

6

 01 file mô phỏng cho bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
 01 file nhúng mô hình thực.
 01 bài báo.
 01 đĩa CD của đề tài.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
-

Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu.

-

Ứng dụng kết quả mô phỏng nhúng vào mô hình thực thông qua card DSP.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

7


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Three phase inverters three level controlled by card DSPF28335
Code number: T2015-36TĐ
Author: Master DO DUC TRI
Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technical Education
Duration: from 01-2015 to 12-2015

2. Objective(s):
-

Modelingfor Three phases Inverter three levels NPC.

-

Constructing simulationfileforThree phases Inverter three levels NPC.

-

Embedded program simulation for three phases Inverter three levels NPCcontrolled by
card DSP F28335

3. Creativeness and innovativeness:
 Theory
-

Modeling, contructing mathematical model, DSPcontrol forthree phases Inverter three
levels NPC.

-

Modern control.
 Applied

-

Improvingwitching loss, THD and value for IGBT

-

AppliedDSP control for three phases Inverter voltagethree levels NPC.

4. Research results:
-

Modeling, Contructing mathematical model, Using card DSPcontrol forthree phases
Inverter three levels NPC.

-

Making simulation file of three phases Inverter three levels NPC.

5. Products:
-

01Simulation fileof three phases Inverter three levels NPC.

-

01article.

-

01 file embedded of three phases Inverter three levels NPC for model.

-

01 CD Simulation file of three phases Inverter three levels NPC.

6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
-

Theoretical basisforteachingand research.

8


-

Applicating three phases Inverter of three phases Inverter three levels NPC controlled
embedded by DSPcard.

9


PHẦN MỞ ĐẦU
Trongnhữngnămgầnđâykhoahọckỹthuậtvàcôngnghệpháttriểnrất
vựcĐiện-

Điệntửcũngkhôngnằm

mạnhmẽ,lĩnh

ngoàitràolƣuđó.Chính

khảnăngpháttriểnmạnhmẽnhƣvậyđãlàmnênquátrìnhchuyểnbiếnsâu
sắccảvềlýthuyếtlẫnthựctiễntrongđờisốngkhoahọckỹthuậtvàcôngnghệ. Tùy theo nhu cầu
và mục đích của các đối tƣợng mà ngƣời sử dụng có thể chọn mạch điều khiển nào thích

hợp. Tuy nhiên trong môi trƣờng giáo dục cơ sở lý thuyết và thực tiễn phải đi đôi với
nhau, với nhu cầu vừa nêu Tác giả nghiên cứu bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC điều
khiển cho động cơ 3 pha không đồng bộ. Ngoài ra đề tài còn là tiền đề để phát triển cho
các hệ nghich lƣu đa bậc mà trên thế giới đang quan tâm.
 Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Trong

lĩnhvựckỹthuậthiệnđạingàynay,việcchếtạoracácbộnghịch

lƣu

cóchấtlƣợngđiệnápcao,kíchthƣớcnhỏgọn, giá thành thấpchocácthiếtbịsửdụngđiệnlà một
thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu cũng nhƣ nhà sản xuất. Mặt khác với môi trƣờng
giáo dục chế tạo ra mô hình là chƣa đủ, phải hội đủ cơ sở lý thuyết rõ ràng đồng thời thiết bị
phải sạch và xanh để giữ môi trƣờng trong sạch theo chủ trƣơng của nhà nƣớc. Dựa trên các
lý luận trên Tác giả đề xuất nghiên cứu và chế tạo bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
 Xây dựng mô hình hóa cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC.
 Xây dựng file mô phỏng cho nghịch lƣu 3 pha 3 bậc NPC.
 Nhúng kết quả mô phỏng cho mô hình nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, xây dựng mô hình toán, phƣơng trình toán, file
mô phỏng nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC, kiểm chứng, đánh giá kết quả mô phỏng, chế
tạo mô hình thực, nhúng chƣơng trình mô phỏng xuống mô hình thực.
4. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài:
Hiện nay các phòng thực tập điện tử công suất D505, D506 với các mô hình đóng
nên phát triển rất khó. Mặt khác công nghệ phần mềm, phần cứng phát triển cho phép ta
điều khiển nhiều đối tƣợng khác nhau bằng cách thay đổi giải thuật mà phần cứng không
thay đổi. Với nhiệm vụ đặt ra nhƣ trên rõ ràng đề tài sẽ bổ sung thêm phƣơng pháp giảng

dạy hiện đại, rõ ràng và trực quan, đề tài cho thấy việc cải thiện tổn hao, THD để giảm
giá thành của IGBT khi thực hiện công suất lớn.
10


5. Những đóng góp của đề tài:
Đề tài có những đóng góp sau:
 Về lý thuyết:
 Xây dựng phƣơng trình toán, mô hình toán theo cơ sở lý thuyết, mô phỏng kiểm
chứng cơ sở lý thuyết có đúng hay không.
 Giải thuật theo hƣớng điều khiển hiện đại.
 Về thực tiễn:


Từ cơ sở lý thuyết và mô phỏng, chế tạo mô hình thực sau đó nhúng chƣơng trình

mô phỏng vào mô hình thực, từ đó cải tiến mô hình và chuyển giao công nghệ cho các
cơ sở có nhu cầu sử dụng . . .
6. Cấu trúc của đề tài:
Cấu trúc của đề tài đƣợc mô tả ở phần mục lục.
Cụ thể là:
Chƣơng 1 Tổng quan.
Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết.
Chƣơng 3 Nội dung đề tài.
Chƣơng 4 Kết luận.

11


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc
Những thập niên 70-80 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, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp…Với ƣu điểm là
kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, 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. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm
vụ của hệ thống truyền động. Từ việc phát triển công nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ
điều khiển điện tử công suất để đáp ứng yêu cầu truyền đồng 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.
I.1. Nghịch lƣu áp ba pha 3 bậc ở nƣớc ngoài:
1.1. Kapil Jain, Pradyumn Chaturvedi “Matlab -based Simulation & Analysis of Three level SPWM Inverter”, IJSCE, 2012.
1.2. Bendre, A.; Venkataramanan, G.; , "Radial state space vector modulation-a new
space vector technique for reducing DC link capacitor harmonic currents in three level
converters," in Proc. of 38th IEEE IAS Annual Meeting2003, pp. 684- 691 vol.1, 12-16
Oct. 2003.
1.3. Sun-Kyoung Lim; Jun-Ha Kim; Kwanghee Nam; , "A DC-link voltage balancing
algorithm for 3-level converter using the zero sequence current," in Proc. of IEEE PESC
1999,pp.1083-1088.
1.4. Wang Shuwen;Research of Novel Three-phase Inverter and its Modulation
Technique, 2006.
I.2. Nghiên cứuNghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC ở Việt Nam:
1.1. Nguyễn Văn Nhờ “Giáo trình điện tử công suất 1” Nha xuất bản Đại học Quốc gia
TP. Hồ Chí Minh 2002.

12


1.2. Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải, “ Kỹ thuật
điều chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3
bậc NPC”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012
1.3. Phòng thực tập điện tử công suất, Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật, TpHCM.
1.4. Võ Xuân Nam, “ Cân bằ ng điê ̣n áp DC-Link cho bộ nghi ̣ch lưu NPC đa bậc”,
LVThS Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Sƣ Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TP.HCM, 2012.

13


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ NGHỊCH LƢU ÁP 3
PHA 3 BẬC NPC
2.1 Mô hình hóa của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC:
Mô hình toán của bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC có điện áp ngõ vào là VDC và điện
áp ngõ ra là VAC ba pha và đƣợc mô tả nhƣ sau:

Vc(n-1)

Sa(n-1)

uc(n-1)

Cn-1

Vc(n-2)

Sb(n-1)

Da(n-2)
Db(n-2)
Dc(n-2)

Sc(n-1)

Sa(n-2)

Da(n-3)
Db(n-3)
Dc(n-3)

Sb(n-2)

Sc(n-2)

Cn-2

Cn-3

Sa2

Sb2

Sc2

Sb1

Sc1

uc(n-2)
Vc(n-3)
uc(n-3)

Da1
Db1
Dc1

Sa1

Uxn

+

udc

N

Uxy

d

-

S’a(n-1)

c

S’b(n-1)

S’c(n-1)

S’b(n-2)

S’c(n-2)

D’a(n-2)
D’b(n-2)
D’c(n-2)

S’a(n-2)
D’a(n-3)
D’b(n-3)
D’c(n-3)

Uxg

S’a2
Vc1

S’b2

S’c2

S’b1

S’c1

D’a1

D’b1
D’c1

uc1
C1

S’a1
Ground

Hình 2.1 Mô hình hóa bộ nghịch lƣu áp 3 pha n bậc NPC
Với
Vd : Điện áp DC ngõ vào [V].

14


A :Điện ngõ ra pha A [V].
B: Điện ngõ ra pha B [V].
C:Điện ngõ ra pha C [V].
Sa(n-1): Các khóa đóng, ngắt ( n số bậc).
2.2 Cơ sở lý thuyết và phƣơng trình toán bộ nghịch lƣu 3 pha n bậc NPC
Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lƣu NPC n bậc. Bộ nghịch lƣu n bậc chứa
các cặp Diodekẹp có một mạch nguồn một chiều udc đƣợc phân chia thành một số cấp điện
áp nhỏ hơn nhờ chuỗi hai tụ điện mắc nối tiếp.Giả sử tụ điện mắc nối tiếp có điện dung
bằng nhau thì điện áp trên mỗi tụ điện là:

uc1 = uc2 = u =

udc
n−1

(2.1)

Chọn mức điện thế 0 là mass nguồn DC, thì điện áp từ cực dƣơng tụ thứ j đến mass là:
j

VCj   uCi  j * u

(2.2)

i 1

Để điện áp pha-nguồn DC đạt đƣợc mức điện áp Uxg=j*u (1≤j≤n-1), thì tất cả các
khóa công suất bị kẹp giữa hai Diode (Dxj, Dxj’) – gồm n-1 khóa mắc nối tiếp liên tục kề
nhau, phải đƣợc kích đóng, các khóa còn lại phải đƣợc ngắt theo nguyên tắc kích đối
nghịch. Số khóa công suất 1 pha phải sử dụng là k=2.(n-1). Trong đó có (n-1) khóa nối từ
ngõ ra tải đến nguồn dƣơng gọi là khóa công suất nhánh trên, ký hiệu hiệu là S x1, Sx2, …,
và (n-1) khóa công suất nhánh dƣới ký hiệu là Sx1’, Sx2’.
Trạng thái kích các khóa công suất nhánh trên (KSx) và nhánh dƣới (KSx’) cùng chỉ số
luôn đối nghịch nhau; nghĩa là:
KSxj + KSxj’=1

(2.3)

x=a,b,c nhánh pha

(2.4)

j=1, 2, 3, …n chỉ số của khóa công suất

(2.5)

Trong đó:

Gọi TSxj là trạng thái của khóa công suất thứ j pha x (Sxj).TSxj= 0 tức khóa mở, ngƣợc
lại TSxj=1 là khóa đóng. Nhƣ vậy, trạng thái ra một pha sẽ phụ thuộc trạng thái các khóa
công suất. Với n-1 khóa ở nhánh trên sẽ có 2n-1 trạng thái điều khiển. Tuy nhiên, do điện
áp trên các tụ phân áp là nhƣ nhau, sẽ chỉ có n mức ra điện áp khác nhau là 0, u, 2.u, …(n1).u ứng với các trạng thái ở nhánh trên nhƣ sau:
 Không khóa nào đóng (TSx1=TSx2= …=TSx (n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=0
 Khóa Sx1 đóng (TSx1=1; TSx2=TSx3=…TSx(n-1)=0) điện áp pha-tâm nguồn Uxg=u

15


 j khóa từ khoá Sx1 đóng (TSx1= TSx2=…= TSxj=1; TSx(j+1)= TSx(j+2)=…= TSx(n-1)=0) điện áp
pha-tâm nguồn Uxg=j*u.
 Mọi khóa đều đóng (TSx1= TSx2= …= TSx(n-1)=1) điện áp ra Uxg=(n-1)*u.
Tổng quát lên có thể xác định điện áp ra 1 pha so với mass nguồn theo
Uxg=( TSx1 + TSx2 + ...+ TSx(n-1)).u

(2.6)

n 1

U xg  u. TSxj
j 1

(2.7)

Nếu điện áp trên hai tụ phân áp khác nhau và lần lƣợt là UC1, UC2thì (2.6) đƣợc viết lại

Do đó, thành phần Uxg đƣợc xác định dựa vào (2.8) nhƣ sau:
Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP)

(2.8)

Với TSxch đƣợc định nghĩa theo (2.9) với Ch=T,P (biểu thị nhánh trái và phải).
TSxj = TSxPj - TSxTj

(2.9)

Trong đó j là chỉ số khóa chuyển mạch có giá trị 1-n và T là trạng thái khóa công suất.
Do đó điện áp pha tâm nguồn DC đƣợc xác định theo (2.10)
U ag 
TSaT  TSaP 




U bg   u dc TSbT  TSbP 
U cg 
TScT  TScP 



(2.10)

Và có thể tính đƣợc điện áp pha tải và điện áp dây (2.11) và (2.12)
U an 
U  
 bn 

U cn 

 2  1  1 U ag 


1
2  1 U bg 
3  1
 1  1 2  U cg 

U ab   1  1 0  U an 
U    0 1  1 U 
 bc  
  bn 
U ca   1 0 1  U cn 

(2.11)

(2.12)

Từ các kết quả phân tích trên cho thấy để xác định điện áp điều khiển uđkj (j = a, b,
c); cần biết áp nghịch lƣu Uj0. Nếu áp tải Utj đã cho trƣớc, chỉ cần chọn áp common
mode (uN0) thích hợp là xác định đƣợc Uj0.
Xác định điện áp common mode:
Điện áp V0 có thể chọn bất kỳ giá trị nào trong giới hạn V0min và V0max của nó, tức:
V0min ≤ V0 ≤ V0max

(2.13)

Lý luận tƣơng tự cho bộ nghịch lƣu áp 1 pha cầu dạng H-bridge, ta suy ra:

V0Min = - Min
V0Max = Vdc – Max

16

(2.14)


Với
Max = Max(Uta, Utb, Utc)

(2.15)

Min = Min(Uta, Utb, Utc)
Giải thuật tính toán uđkj khi cho trƣớc áp tải 3 pha

+
Udkj
Hình 2.2:Giải thuật tính toán uđkj khi biết áp tải Utj
Đây là giải thuật tính áp điều khiển khi biết áp tải.

2.2.1

Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp

- Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM-sin pulse width modulation).
- Phƣơng pháp điều khiển theo biên độ.
- Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (SH-PWM).
- Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM).
- Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM-space vector pulse width

modulation).
Những kỹ thuật điều khiển đƣợc áp dụng cho bộ nghịch lƣu áp 2 bậc nhƣ: kỹ thuật
điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, kỹ thuật điều khiển vector không
gian, kỹ thuật khử sóng hài tối ƣu, các kỹ thuật điều khiển dòng,… có thể ứng dụng điều
khiển cho bộ nghịch lƣu áp đa bậc.
Bộ nghịch lƣu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với các tải công suất
lớn. Do đó vấn đề giảm bớt tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp trên linh kiện công
suất có ý nghĩa quan trọng. Các thuật toán của các chuyên gia trên tạp chí IEEE, IEE nói
chung và bất cứ ai muốn nghiên cứu nói riêng thì điều cố gắng thực hiện và duy trì trạng
thái cân bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tƣợng common - mode voltage. Đây
là một nguyên nhân gây ra một số hiện tƣợng làm lão hóa động cơ.
Bộ nguồn điện một chiều thƣờng sử dụng bằng Diode, SCR, Transistor...với nhiều
nhƣợc điểm: dòng vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình chuyển mạch diễn ra
chậm. Để khắc phục nhƣợc điểm trên, tác giả đã nghiên cứu một trong các phƣơng pháp

17


mới đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width modulation –
CPWM).
Trong đề tài này chúng ta giới thiệu kỹ thuật chủ yếu đƣợc sử dụng để điều khiển các bộ
nghịch lƣu áp đó là kỹ thuật điều chế dùng sóng mang (carrier based pulse width
modulation – CPWM) để tạo xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu áp 3 pha 3 bậc NPC
NPC, cả trong mô phỏng và thực nghiệm.
2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CPWM)

2.2.2.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lƣu áp
Chỉ số điều chế (Modulation Index) m: đƣợc định nghĩa nhƣ tỉ số giữa biên độ
thành phần hài cơ bản tạo nên bởi phƣơng pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ
bản đạt đƣợc trong phƣơng pháp điều khiển sáu bƣớc (sixstep).

m

U
U



1m

1m  sixstep

U

1m

(2.16)

2
 V dc

Với Vdc _ tổng điện áp các nguồn DC.
Độ méo dạng tổng do sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) là đại lƣợng
dùng để đánh giá tác dụng của các sóng hài bậc cao (2,3…) xuất hiện trong nguồn điện,
đƣợc tính theo:


THD

I

I
j 1



I

2

(2.17)

t( j)

t (1)

Độ méo dạng trong trƣờng hợp dòng điện không chứa thành phần DC đƣợc tính
theo hệ thức sau:


THD

I



I
j 1

I

2
t( j)

t (1)



2

2

t

t (1)

I I
I

(2.18)

t (1)

Trong đó:
It(j): trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j ≥ 2.
It(1): trị hiệu dụng thành phần hài cơ bản của dòng điện.
It: trị hiệu dụng của dòng tải
Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: Công suất tổn hao xuất hiện
trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn
điện Pon và tổn hao công suất động Pdyn. Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng
ngắt của linh kiện tăng lên. Tần số đóng ngắt của linh kiện không thể tăng lên tùy ý vì

những lí do sau:
18


+ Công suất tổn hao trên linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt.
Linh kiện công suất lớn thƣờng gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn. Do đó,
tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW
chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz.
+ Các qui định về tƣơng thích điện từ (Electromagnet Compatibility – EMC) qui định
khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hơn 9KHz.
2.2.3 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin dùng sóng mang (Sin PWM)
Phƣơng pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH – PWM), hay Multi carrier based
PWM.
Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng một số
sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin).
Về nguyên lý, phƣơng pháp đƣợc thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng
các công tắc của bộ nghịch lƣu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
 Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác.
 Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating signal) dạng sin.
Ví dụ, công tắc đƣợc kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur> up). Trong
trƣờng hợp ngƣợc lại, công tắc đƣợc kích mở khi sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang
(ur up).
Tần số sóng mang càng cao, lƣợng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng sóng điện áp
và dòng điện tải bị khử càng nhiều.
Đối với bộ nghịch lƣu áp n bậc, số sóng mang đƣợc sử dụng là (n-1). Chúng có
cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng điều khiển) có
biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung quanh trục tâm của
hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng mang nào đó thì linh kiện
tƣơng ứng với sóng mang đó sẽ đƣợc kích đóng, ngƣợc lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn
sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị kích mở.

Gọi mf là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio) ta có:

m

f



f
f

carrier



reference

f
f

c

(2.19)

m

Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất hiện. Điểm
bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng cắt lớn.
Tƣơng tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):

19


S

K

L

0

0

2

1

5

4