Nghiên cứu nghịch lưu 5 bậc lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

ĐỖ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

ĐỖ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 09 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

T . Hu nh Ch u Duy

Chủ tịch

2

PG . T . Trư ng Việt nh

Phản biện 1

3

T . V Hoàng Duy

Phản biện 2

4

T . Trần Vinh Tịnh

Ủy viên

5

T . Đ ng u n Kiên

Ủy viên, Thư ký

ác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV




TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 30 tháng 07 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đỗ Minh Tuấn

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1986

N i sinh: Thanh Hóa

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

MSHV: 1441830029

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Nghiên cứu về biến tần đa bậc, phư ng pháp điều khiển nghịch lưu đa bậc.
2.

y dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 5 bậc lai.

3. Mô phỏng nghịch lưu 5 bậc lai trên Matlab.
4. Lập trình giải thuật xuống mô hình nghịch lưu 5 bậc lai.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/07/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đ y là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất k công trình
nào khác. Những số liệu, kết quả dùng để tham khảo đã có trích dẫn.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm n và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ r nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Đỗ Minh Tuấn


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại trường Đại học Kỹ Thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí
Minh cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, bản th n tôi
luôn nhận được sự quan t m, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Quý Thầy Cô nhà
trường.
in được tr n trọng gửi lời tri n đến quý Thầy Cô, cảm n Thầy PGS.TS Nguyễn
Thanh Phương đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để tôi hoàn thành luận

văn đúng tiến độ và đạt được mục đích, yêu cầu của đề tài.
Cảm n gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian
nghiên cứu, thực hiện luận văn này.
Tr n trọng cảm n./.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2016
Người thực hiện luận văn

Đỗ Minh Tuấn


iii

TÓM TẮT

I. Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu:
Nhằm đáp ứng như cầu ngày càng cao về việc biến đổi các năng lượng tái tạo như
năng lượng m t trời, năng lượng gió và điều khiển động c , bộ nghịch lưu đa bậc được
xem như là một giải pháp hiệu quả, với nhiều ưu điểm như độ méo dạng thấp, điện áp
làm việc của các linh kiện đóng ngắt thấp h n. Do vậy, nghiên cứu về nghịch lưu đa
bậc hiện là một trong những lĩnh vực thu hút. Đề tài nghiên cứu về bộ nghịch lưu 5 bậc
lai, các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu này.
II. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài:
1. Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu về nghịch lưu 5 bậc lai
- Nghiên cứu về giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5
bậc lai.
- Kiểm chứng các giải thuật điều chế trên phần mềm Matlab/ imulink
-

y dựng mô hình thực nghiệm

- Viết chư ng trình điều khiển và chạy thực nghiệm phần cứng với tải R
2. Giới hạn của đề tài:
- Do thời gian có hạn đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu bộ nghịch lưu 5 bậc
lai và các giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang.
- Nhưng mở rộng xa h n có thể thực hiện trong tư ng lai như: điều khiển động c
với bộ nghịch lưu đa bậc lai, nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho
bộ nghịch lưu đa bậc lai
- ......


iv

ABSTRACT

I. The purpose of research and research subject:
To adapt the increasing requirement of converting the renewable energy such as
solar panel, wind power, and controlling the motors; multilevel inverters are considered
as an effective solution with advantages such as low distortion (%THD), lower rating
voltage of the switching devices. According to these reasons, study on multilevel
inverter is an attractive field. The topic " Research on hybrid 5-level inverter" focus on
the operation of multilevel inverter and carrier-based PWM for this inverter topology.
II. Research tasks and Scope of research
1. Research tasks:
- Study on hybrid 5-level inverter topology
- Study on carrier-based PWM for this hybrid 5-level inverter topology
- Verify the analysis on Matlab/Simulink software
- Program and run the experimental hardware with R-load
2. Scope of research:
- Due to the limited time, the topic only focus on studying on hybird 5-level inverter

and carrier-based PWM.
- In the future, we can do futher tasks such as: motor control, study on the space
vector PWM for hybrid 5-level inverter topology.
- ......


v

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc sử dụng GTO. ......................................................... 2
Hình 1.2: Bộ nghịch lưu flying capacitor (FC) 3 bậc sử dụng IGBT ............................... 3
Hình 1.3: Bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc. ........................................................................ 5
Hình 1.4: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai ..................................................................................... 7
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai ..................................................................................... 9
Hình 2.2: Các phư ng pháp điều khiển biến tần đa bậc. ................................................ 10
Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp sóng mang. ............................................. 10
Hình 2.4: ung đóng ngắt theo kỹ thuật nhiều sóng mang. ........................................... 11
Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp sóng mang chuẩn. .................................. 11
Hình 2.6: ung đóng ngắt theo giải thuật sóng mang chuẩn. ......................................... 12
Hình 2.7: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp FO PWM. ............................................ 14
Hình 2.8: Điện áp điều khiển và xung đóng ngắt ở phư ng pháp FO PWM. .............. 14
Hình 2.9: Giản đồ phư ng pháp POD .......................................................................... 15
Hình 2.10: Giản đồ phư ng pháp PD.............................................................................. 15
Hình 2.11: Giản đồ phư ng pháp POD ........................................................................... 16
Hình 3.1: Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 bậc lai. ............................................................. 17
Hình 3.2: Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu 5 bậc lai. ............................................... 18
Hình 3.3: Giản đồ vector không gian điện áp với đầy đủ các trạng thái ........................ 20
Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật CPWM với điện áp offset................................................... 21
Hình 3.5:

đồ mô phỏng trên matlab/simulink. ........................................................... 21

Hình 3.6: Dòng tải 3 phase ở m=0.35 và m=0.8. ............................................................ 22
Hình 3.7: Điện áp nghịch lưu VAO ở m=0.35 và m=0.8. ............................................... 22
Hình 3.8: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8. ............................................... 22
Hình 3.9: Phân tích FFT điện áp VAO' ở ở m=0.35 và m=0.8. ...................................... 22
Hình 3.10: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8. ..................................... 23
Hình 3.11: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và
m=0.8. .............................................................................................................................23
Hình 3.12: Điện áp phase-tải VAN ở m=0.35 và m=0.8. ................................................ 23
Hình 3.13: Điện áp dây VAB ở m=0.35 và m=0.8. .......................................................... 24
Hình 3.14: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 24
Hình 3.15: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8. ................................... 25


vi

Hình 3.16: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8. ..................................... 25
Hình 3.17: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và
m=0.8. .............................................................................................................................25
Hình 3.18: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8. .............................................. 26
Hình 3.19: Phân tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 26
Hình 3.20: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8. ................................... 27
Hình 3.21: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8. ..................................... 27
Hình 3.22: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và
m=0.8. .............................................................................................................................27
Hình 3.23: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8. .............................................. 28
Hình 3.24: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 28
Hình 3.25: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8. ................................... 28
Hình 3.26: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8. ..................................... 29

Hình 3.27: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và
m=0.8. .............................................................................................................................29
Hình 3.28: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8. .............................................. 29
Hình 3.29: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 30
Hình 3.30: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.8 và m=1. ........................................ 31
Hình 3.31: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.8 và m=1 ........................................... 31
Hình 3.32: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.8 và m=1.
......................................................................................................................................... 31
Hình 3.33: Điện áp dây VAB ở m=0.8 và m=1. ............................................................... 32
Hình 3.34: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.8 và m=1. ................................... 32
Hình 3.35: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.8 và m=1. ................................................... 32
Hình 3.36: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.8 và m=1. ................................... 33
Hình 3.37:

đồ của hệ nghịch lưu cầu H 5 bậc và motor. ........................................... 33

Hình 3.38: Giản đồ vector với các vector có CMV=0. ................................................... 35
Hình 3.39: Giản đồ vector với các vector lựa chọn. ....................................................... 35
Hình 3.40: Giản đồ đóng ngắt 3 pha theo các giá trị phần nguyên và phần dư .............. 37
Hình 3.41: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8. ................................... 38
Hình 3.42: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 ...................................... 39
Hình 3.43: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và
m=0.8. .............................................................................................................................39


vii

Hình 3.44: Điện áp dây VAB ở m=0.35 và m=0.8. .......................................................... 39
Hình 3.45: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 40
Hình 3.46: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8. .............................................. 40

Hình 3.47: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8. .............................. 40
Hình 4.1:

đồ khối mô hình thực nghiệm .................................................................... 43

Hình 4.2:

đồ mạch động lực. ..................................................................................... 43

Hình 4.3: Mạch động lực. ............................................................................................... 43
Hình 4.4: Mạch lái MOSFET (hình trên)........................................................................ 44
Mạch nguồn

15V (hình dưới) ...................................................................................... 44

Hình 4.5: Mạch nguồn ± 15V ......................................................................................... 44
Hình 4.6: Mạch lái MOSFET .......................................................................................... 45
Hình 4.7: Kết nối giữa mạch nguồn ± 15V và mạch lái ................................................. 46
Hình 4.8: Board mạch đệm và đảo .................................................................................. 46
Hình 4.9: Board điều khiển STM32F4 Discovery .......................................................... 47
Hình 4.10: Toàn bộ hệ thống phần cứng ......................................................................... 47
Hình 4.11: Toàn bộ hệ thống phần cứng ......................................................................... 48
Hình 4.12: Toàn bộ hệ thống phần cứng ......................................................................... 48
Hình 4.13:

đồ nguyên lý của mô hình thực nghiệm .................................................. 49

Hình 4.14:

đồ quy trình thực nghiệm......................................................................... 50

Hình 4.15: Giao diện chỉnh định các ngoại vi và các ch n ng ra cho vi điều khiển .... 51
Hình 4.16: Giao diện chỉnh định clock hệ thống ........................................................... 52
Hình 4.17: Giao diện chỉnh định các ngoại vi, các chân ngõ ra, chỉnh ưu tiên cho các
ngắt ..................................................................................................................................52
Hình 4.18: Project trên phần mềm Keil uVision............................................................ 53
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật tính toán điện áp offset và chọn các trạng thái chuyển
mạch cho các kỹ thuật PWM khác nhau .........................................................................54
Hình 4.20: Giản đồ xuất xung tại chư ng trình ngắt chu k của timer và ngắt so sánh
của channel 1,2,3 .............................................................................................................55
Hình 4.21: Lưu đồ hoạt động của chư ng trình điều khiển ............................................ 56
Hình 4.22: Điện áp CMV và FFT của điện áp CMV ở m=0,3 ...................................... 57
Hình 4.23: : Điện áp phase và FFT của điện áp phase ở m=0,3 ................................... 57
Hình 4.24: : Điện áp dây và FFT của điện áp dây ở m=0,3 .......................................... 57
Hình 4.25: Điện áp CMV và FFT của điện áp CMV ở m=0,85 .................................... 58


viii

Hình 4.26: : Điện áp phase và FFT của điện áp phase ở m=0,85 ................................. 58
Hình 4.27: : Điện áp dây và FFT của điện áp dây ở m=0,85 ........................................ 58


ix

DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC
Công thức (1): Điện áp điều khiển sin chuẩn

12

Công thức (2): Tổng điện áp điều khiển 3 pha

..12

Công thức (3): Điện áp pha –tải

....

12

Công thức (4): Điện áp tham chiếu VNO’

13

Công thức (5): Điện áp pha –tải sin chuẩn quy về tham chiếu

..13

Công thức (6): Điện áp d y –tải sin chuẩn quy về tham chiếu

..13

Công thức (7): Điện áp offset

....

14

Công thức (8): Điện áp nghịch lưu

....

19

Công thức (9): Điện áp offset min và max

25

Công thức (10): Điện áp offset 1 và 2

27

...

Công thức (11): Cộng sóng hài bậc 3

31

Công thức (12): Điện áp common-mode....

...37

Công thức (13): Cộng offset điện áp common-mode....

....38


x

MỤC LỤC

Chư ng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................... 1
1.1 Đ t vấn đề: .................................................................................................................. 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới:............................................................. 3
1.3 Tính cấp thiết của đề tài: ............................................................................................. 5
1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .................................................................................. 6
1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài: ................................................................................. 6
1.6 Phư ng pháp nghiên cứu của đề tài: ........................................................................... 7
1.7 Cấu trúc của đề tài: ...................................................................................................... 8
Chư ng 2: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG CHO BỘ
NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI .............................................................................................. 9
2.1 Bộ nghịch lưu 5 bậc lai: .............................................................................................. 9
2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang: ............................................................ 10
Chư ng 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU VÀ KẾT QU MÔ
PH NG BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC L I ......................................................................17
3.1 Xây dựng giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai17
3.2 Kỹ thuật điều chế tối ưu tần số SFO ( Switching frequency optimal) ...................... 24
3.3 Kỹ thuật giảm tổn hao đóng ngắt sử dụng hàm offset max và min: ......................... 26
3.4 Kỹ thuật điều chế cộng sóng hài bậc 3 THI ( 3rd harmonic injection PWM) ........... 30
3.5 Điện áp common-mode và các kỹ thuật giảm điện áp common-mode:.................... 33
Chư ng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC L I
.........................................................................................................................................41
4.1

đồ khối của mô hình thực nghiệm ....................................................................... 41

4.2 Chi tiết mô hình thực nghiệm.................................................................................... 42
4.2.1 Mạch động lực ............................................................................................42
4.2.2. Mạch lái MO FET .....................................................................................44
4.2.3 Mạch điều khiển ..........................................................................................46
4.2.4 Kết nối hệ thống phần cứng ........................................................................47

4.3

đồ nguyên lý của mô hình thực nghiệm...............................................................49

4.4 Lập trình điều khiển vi điều khiển MT32F4 với phần mềm TM32CubeM ......50
4.5 Lưu đồ giải thuật chư ng trình điều khiển ................................................................53
4.6 Kết quả thực nghiệm .................................................................................................53


xi

Chư ng 5: KẾT LUẬN ................................................................................................... 59
5.1 Kết luận ..................................................................................................................... 59
5.2 Hướng nghiên cứu tư ng lai ..................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KH O................................................................................................ 61
PHỤ LỤC - CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 59


1

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề:
Ngày nay, các bộ biến tần được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như
điều khiển động c , bộ nguồn, bộ lưu điện UP , các bộ lọc tích cực ... Đ c biệt trong
các ứng dụng khởi động, điều khiển động c , biến tần là sự lựa chọn duy nhất cho khả
năng tiết kiệm điện rất cao. Biến tần kết hợp với động c không đồng bộ mang lại các
lợi ích sau:
- Hiệu suất làm việc cao.
- Quá trình khởi động và dừng động c êm dịu nên kéo dài tuổi thọ động c

cũng như các c cấu c khí liên quan khác.
- n toàn và tiện lợi, việc bảo dưỡng biến tần cũng ít h n nếu so sánh với các bộ
chuyển đổi tốc độ c khí như hộp số.
- Biến tấn giúp tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và
vận hành.
Ngoài ra, khi các biến tần được điều khiển bằng PLC và được kết nối với máy
tính trung tâm qua hệ thống C D . Từ trung t m điều khiển, nh n viên vận hành có
thể quan sát được hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng,
tốc độ...) cũng như cho phép điều chỉnh, chuẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra.
Bộ biến tần thông thường biến đổi điện áp qua 2 kh u, kh u chỉnh lưu nhằm biến
đổi điện áp

C tần số lưới (50Hz ho c 60Hz) thành điện áp DC, và kh u nghịch lưu

nhằm biến đổi điện áp DC thành điện áp

C có biên độ và tần số mong muốn. Kh u

nghịch lưu là trái tim của bộ biến tần, bộ nghịch lưu là phần điều khiển biên độ điện áp
và tần số điện áp từ đó thay đổi momen và tốc độ của động c . Rất nhiều bộ biến tần
chỉ sử dụng kh u chỉnh lưu không điều khiển bằng diode, nên các bộ biến tần cũng
thường được gọi là bộ nghịch lưu (inverter).
Các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống sử dụng cấu trúc nghịch lưu 2 bậc kinh
điển với 6 khóa đóng ngắt. Để cải thiện chất lượng điện áp ng ra, giảm tổn


2

Hình 1.1: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc sử dụng GTO.
hao chuyển mạch linh kiện, cũng như giảm nhiễu đóng ngắt (EMI), cải thiện điện áp

common-mode, các bộ nghịch lưu đa bậc đã được đề xuất và nghiên cứu.
Từ những năm 1975, các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc đã xuất
hiện trên thế giới. Lần lượt, các bộ nghịch lưu dạng cầu H nối tầng (H-bridge cascaded
- Hình 1.3) và bộ nghịch lưu diode kẹp (NPC - Hình 1.1) được các nhà khoa học đưa ra
để tạo ra các mức điện áp khác nhau. Theo đó các kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch
lưu đa bậc cũng được phát triển và ngày càng đa dạng. Nghịch lưu đa bậc cùng các cấu
trúc biến đổi của nó (nghịch lưu đa bậc lai) được nghiên cứu mạnh mẽ để cải thiện chất
lượng điện áp ng ra, giảm tổn hao đóng ngắt hay sử dụng linh hoạt số lượng nguồn DC
có sẵn. Ngoài ra biến tần đa bậc còn giải quyết được vấn đề giới hạn giá trị định mức
của linh kiện bán dẫn để ứng dụng trong các tải công suất lớn hay hệ thống điện.
Ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc ngày càng s u rộng trong truyền động điện
động c xoay chiều với độ chính xác cao,làm nguồn điện liên tục UP , điều khiển chiếu
sáng, bù nhuyễn công suất phản kháng, bộ lọc tích cực, và các ứng dụng nối lưới và tối
ưu trong năng lượng tái tạo [1].
Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc và đa bậc lai: điện áp đ t lên các linh kiện
được chia ra cho nhiều linh kiện h n nên bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá
trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành


3

phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai
bậc kinh điển.

Hình 1.2: Bộ nghịch lưu flying capacitor (FC) 3 bậc sử dụng IGBT
Các phư ng pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghịch lưu áp hai bậc như phư ng
pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phư ng pháp điều khiển
vector, phư ng pháp khử sóng hài tối ưu, các phư ng pháp điều khiển dòng điện (hay
vector dòng điện)... có thể được điều chỉnh để có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu áp đa
bậc. Bộ nghịch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công suất lớn.

Do đó vấn đề giảm tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp dv/dt trên linh kiện công
suất có ý nghĩa quan trọng. Các thuật toán điều khiển chủ yếu xoay quanh việc duy trì
trạng thái c n bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common-mode voltage
là nguyên nh n giảm tuổi thọ động c . Trong một số ứng dụng thực tiễn, đ c biệt là
truyền động động c xoay chiều, điện áp common mode là nguyên nh n tạo ra dòng rò
giữa trung tính tải và trung tính nguồn, dẫn đến nạp xả tụ, g y mòn ổ bi, làm giảm tuổi
thọ thiết bị [2].
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM là kỹ thuật chủ yếu để điều khiển các bộ
nghịch lưu. Các nghiên cứu về thuật toán điều khiển các bộ nghịch lưu chủ yếu xoay
quanh kỹ thuật điều rộng xung sóng mang (CPWM) và kỹ thuật điều rộng xung vector
không gian (SVPWM).
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới:
Bộ nghịch lưu đa bậc đầu tiên được đề xuất năm 1981 bởi nhóm nghiên cứu
.Nabe đã khởi xướng cho hướng nghiên cứu các loại biến tần công suất phức hợp


4

phục vụ công nghiệp và năng lượng. M c dù cấu trúc và giải thuật điều khiển phức tạp
nhưng chúng có những ưu điểm về khả năng công suất, chất lượng của năng lượng
cung cấp và khả năng giảm thiểu sóng điện từ. Tính chất đạt được của các bộ biến tần
phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) và được phát triển từ
những kỹ thuật tư ng tự đối với bộ nghịch lưu 2 bậc. Các nhóm nghiên cứu PWM chủ
yếu dựa vào kỹ thuật PWM sóng mang, PWM vector không gian và PWM triệt tiêu
sóng hài. Đ c điểm phức tạp của kỹ thuật PWM của biến tần đa bậc chỉ được ph n tích
khá hoàn chỉnh những năm sau 2000. Năm 2007, công trình của N.V.Nhờ (HCMUT)
về giải tích cấu trúc biến tần đa pha đa bậc nguồn biến động được báo cáo tại IEEE
PE C 2006 (Korea) và EPE 2007 (Denmark) đã tạo ra c sở lý thuyết tư ng đối tổng
quát cho nghiên cứu PWM của các loại biến tần phức hợp khác nhau.
Năm 2000, nhóm tác giả Haoran Zhang,

nnatte von Jouanne, haoan Dai,

lan

K.Wallace, Fei Wang [3] công bố bài báo về triệt tiêu điện áp common-mode (CMV)
cho biến tần đa bậc theo phư ng pháp sử dụng những vector có điện áp CMV bằng
không. Việc triệt tiêu hoàn toàn điện áp CMV sẽ nảy sinh chuyển mạch không còn nằm
ở 3 vector gần nhất vì vậy đề tài chọn phư ng pháp giảm dao động điện áp CMV ở 2
bậc thấp nhất và điện áp CMV trung bình nhỏ nhất (Voffset). Các công bố về giảm điện
áp CMV có nhóm Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, Seung-Ki ul, năm 2001, [4] cho
biến tần NPC 3 bậc bằng cách sử dụng 19 vectors điện áp có điện áp CMV bằng 0 và
bằng Vdc/6. Tuy nhiên lời giải còn hạn chế, khó mở rộng cho biến tần đa bậc và chưa
giải quyết vùng quá điều chế. Năm 2003, nhóm nghiên cứu Poh Chiang Loh, Donald
Grahame Holmes, Yusuke Fukuta, Thomas

.Lipo [5] công bố giải thuật về giảm điện

áp CMV cho biến tần đa bậc cascaded sử dụng các kỹ thuật dịch pha sóng mang kết
hợp với chế độ gián đoạn, lời giải sử dụng nhiều sóng điều khiển và sóng mang dịch
pha phức tạp chưa tổng quát cho các mô hình đa bậc khác, vẫn chưa đề cập đến vùng
quá điều chế. Đến năm 2007, nhóm nghiên cứu

mit Kumar Gupta,

shwin

M.Khambadkone [6] đưa ra được lời giải cho cả vùng quá điều chế dựa trên phư ng
pháp SVPWM.
Những năm gần đ y (2014 - 2015) nhóm nghiên cứu của N.V.Nhờ (HCMUT),

đã có những công bố trên tạp chí IEEE Transacton on Power Electronics về các kỹ
thuật triệt tiêu điện áp common-mode và giảm biên độ của các gai dòng ng ra (output


5

current ripple) và giảm tổn hao đóng ngắt cho các bộ nghịch lưu đa bậc [7-8]. Thêm
vào đó nhóm nghiên cứu của N.D.Tuyen (HCMUT) năm 2014 đã công bố trên Journal
of Power Electronics (Korea) về kỹ thuật dịch pha sóng mang để giảm điện áp
common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc T-type [9].
Nhìn chung các bài báo về giảm tổn hao đóng ngắt cũng như giảm điện áp
common-mode còn nhiều phức tạp và chưa tổng quát cho các mô hình đa bậc khác
nhau, các bảng tra g y nhiều khó khăn khi lập trình điều khiển, yêu cầu nhiều bộ nhớ
của vi điều khiển, dung lượng tính toán lớn.

Hình 1.3: Bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài:
Nghiên cứu các nguồn năng lượng tái tạo ở Việt nam có ý nghĩa quan trọng, đ c
biệt trong điều kiện giá các nguồn nguyên liệu hóa thạch tăng cao. Trong khi đó, Việt
Nam được đánh giá có rất nhiều tiềm năng trong việc phát triển các nguồn năng lượng
tái tạo như gió, m t trời, sóng biển...Tuy nhiên so với những thành công mà nước ngoài
đạt được, chúng ta cần quan t m và đầu tư nhiều h n nữa cho việc phát triển và sử dụng
hiệu quả các nguồn năng lượng này.


6

Một hệ thống khai thác năng lượng tái tạo sang năng lượng điện sử dụng trực
tiếp ho c hòa lưới thường bao gồm bộ biến tần mà trong đó bộ nghịch lưu đóng vai trò

chính. Các bộ nghịch lưu đa bậc và nghịch lưu đa bậc lai có những ưu điểm về khả
năng công suất, chất lượng năng lượng cung cấp và giảm thiểu sóng điện từ sẽ là chìa
khóa cho việc phát triển năng lượng tái tạo.
Bộ nghịch lưu đa bậc lai với kỹ thuật sóng mang CPWM được chọn để nghiên cứu
vốn được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong việc phát triển năng lượng tái tạo và hệ
truyền động động c

C. Bài toán giảm tổn hao đóng ngắt và giảm điện áp common-

mode là một bái toán lớn với các lời giải còn nhiều vấn đề cần ph n tích. Việc hoàn
thành đề tài sẽ góp phần ứng dụng cho kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc trong
các ứng dụng năng lượng tái tạo và các hệ truyền động.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho các bộ nghịch lưu đa bậc tạo nền
tảng cho việc x y dựng các bộ nghịch lưu đa bậc để ứng dụng vào nền công nghiệp ở
Việt Nam nhằm góp phần vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Đề tài hy vọng là một tài liệu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho
nghịch lưu đa bậc, tạo c sở cho các nghiên cứu xa h n trong tư ng lai.
Trên nền tảng này; việc thực thi các bộ nghịch lưu đa bậc vào thực tế; các ứng dụng
cụ thể sẽ được dễ dàng h n. Từ đó cải thiện chất lượng điều khiển điện vào các ứng
dụng hiện tại như hệ truyền động động c , bộ nghịch lưu nối lưới năng lượng m t trời,
bộ lưu điện, các bộ lọc tích cực ....
1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài:
Đề tài nghiên cứu các thuật toán điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai như hình 1.4,
mục tiêu dựa trên kỹ thuật điều rộng xung sóng mang CPWM để xử lý các tính chất
điện, tập trung vào bài toán giảm tổn hao đóng ngắt và giảm điện áp common-mode, áp
dụng phư ng pháp cộng hài bậc 3 để tăng chỉ số điều chế ( 3th harmonic injection
PWM). Cụ thể hóa các mục tiêu như sau:
- Giải tích mô hình nghịch lưu lai 5 bậc, ph n tích các kỹ thuật CPWM để giảm tổn hao
đóng ngắt và giảm điện áp common-mode.

7

Hình 1.4: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai
- Tăng chỉ số điều chế với phư ng pháp cộng hài bậc 3.
- Kiểm tra tất cả mô hình và giải thuật được đưa ra trên chư ng trình mô phỏng
Matlab/ imulink. Đánh giá chất lượng của các phư ng pháp này và so sánh với các kết
quả đã đạt được khác.
-

y dựng mô hình thực nghiệm với đầy đủ nguồn cung cấp, mạch công suất, mạch

kích lái, mạch điều khiển sử dụng TM32F4 Discovery Kit, kiểm chứng độ khả thi của
các thuật toán điều khiển và tính thực tiễn của đề tài nghiên cứu.
1.6 Phương pháp nghiên cứu của đề tài:
- Phương pháp luận: Tìm hiểu tổng quan về về nghịch lưu đa bậc và các phư ng
pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa bậc; tìm hiểu s u về bộ nghịch lưu
5 bậc lai, phư ng pháp điều chế để tối ưu bộ nghịch lưu 5 bậc lai bao gồm giảm tổn hao
đóng ngắt, tối ưu giảm độ méo dạng tổng %THD, giảm điện áp common-mode; đánh
giá và so sánh các kiết quả mô phỏng và thực nghiệm; những thành quả của đề tài có
thể được áp dụng để phát triển cho các bộ nghịch lưu nối lưới trong các hệ thống năng
lượng tái tạo như máy phát điện gió, panel pin m t trời ho c các bộ biến tần điều khiển
động c .
- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu dựa trên mô hình toán của bộ nghịch lưu
đa bậc, x y dựng các giải thuật điều chế độ rộng xung PWM dựa trên phư ng pháp điều


8

chế độ rộng xung sóng mang, x y dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/ imulink để
kiểm chứng giải thuật đã x y dựng trên lý thuyết, x y dựng mô hình thực nghiệm để
chứng minh tính thực tế của đề tài. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh
và đánh giá để kết luận tính hiệu quả và những thành quả thu được của đề tài. Từ đó
làm c sở cho những phát triển xa h n.
- Giá trị thực tiễn của đề tài: việc nghiên cứu và thực hiện các đề tài về nghịch lưu
đa bậc góp phần đóng góp vào những kiến thức chung cho Việt Nam; áp dụng thực tiễn
cho công nghiệp năng lượng tái tạo, điều khiển động c ; có thể phát triển thành một sản
phẩm công nghiệp thực sự.
1.7 Cấu trúc của đề tài:
Đề tài " Nghiên cứu bộ nghịch lưu 5 bậc lai" bao gồm các chư ng:
Chương 1: Giới thiệu chung vấn đề nghiên cứu.
Chương 2: Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc
lai.
Chương 3: Các phư ng pháp điều khiển tối ưu và kết quả mô phỏng bộ nghịch lưu 5
bậc lai.
Chương 4:

y dựng mô hình thực nghiệm bộ nghịch lưu 5 bậc lai.

Chương 5: Kết luận – kiến nghị.