NGHIÊN cứu bộ NGHỊCH lưu 3 PHA 5 bậc cầu h gồm 2 bộ NPC 3 bậc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (827.72 KB, 22 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU
3 PHA 5 BẬC CẦU H GỒM 2 BỘ NPC 3 BẬC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
S K C0 0 4 9 2 4
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU
3 PHA 5 BẬC CẦU H GỒM 2 BỘ NPC 3 BẬC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU
3 PHA 5 BẬC CẦU H GỒM 2 BỘ NPC 3 BẬC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS TRẦN THU HÀ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.
LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ và tên: TRẦN TUẤN ANH, Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 22/03/1977, Nơi sinh: Bình Thuận
Quê quán: Bến Tre, Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: 399 Tổ NDTQ số 5, Ấp Phú Hòa, Xã Châu Hòa,
Huyện Giồng Trôm, Tỉnh Bến Tre.
Di động: 0986 71 22 33; Email:
Điện thoại cơ quan: 075 3822294
Fax: 075 3820103
II.
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ: 10/1992 đến 07/1997
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử
III.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Từ 06/2001 Công ty Đường Bến Tre
Công việc đảm nhiệm
Nhân viên kỹ thuật
đến 5/2002 Ấp Thuận Điền, Xã An
Hiệp, Huyện Châu Thành,
Tỉnh Bến Tre
Từ 5/2002
Công ty Đông lạnh thủy sản
đến 9/2003 xuất khẩu Bến Tre (DL22)
Trang i
Nhân viên kỹ thuật
Ấp 9, Xã Tân Thạch, Huyện
Châu Thành, Tỉnh Bến Tre
Từ 9/2003 Trường Trung học Kỹ Thuật Giáo viên
đến
Công nghiệp Bến Tre
12/2004
Ấp 2, Xã Sơn Đông, Huyện
Châu Thành, Tỉnh Bến Tre
Từ 12/2004 Trường Cao Đẳng Bến Tre
đến nay
Ấp 1, Xã Sơn Đông, Huyện
Châu Thành, Tỉnh Bến Tre
Trang ii
Giảng viên
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 chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2016
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
TRẦN TUẤN ANH
Trang iii
LỜI CẢM TẠ
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà, Ths. Đỗ Đức Trí, đã
tận tình hướng dẫn tôi để thực hiện luận văn.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi
trường học tập tốt cho tôi.
Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ cho sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công
suất nâng cao D405 trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn.
Học viên
TRẦN TUẤN ANH
Trang iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang có kiểm soát thông qua việc
cân bằng điện áp trên hai tụ nhằm giảm độ méo dạng sóng ngõ ra cung cấp cho tải
trong bộ nghịch lưu NPC 5 bậc lai. Kỹ thuật này sử dụng việc giám sát điện áp trên
hai tụ để điều khiển đóng ngắt các khóa công suất một cách hợp lí nhằm đảm bảo
điện áp cung cấp ra tải ít bị méo dạng nhất. Với kỹ thuật xây dựng giải thuật cân bằng
điện áp trên tụ được trình bày trong nghiên cứu, chỉ số THD điện áp có thể giảm từ
28,10% xuống 27,57%, THD dòng điện giảm từ 2,35% xuống mức 0.75%. Trong đề
tài này, tác giả có so sánh giữa hai giải thuật điều khiển có cân bằng điện áp trên tụ
và không điều khiển cân bằng điện áp trên tụ. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng
qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm.
Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT 25N120. Các giải thuật điều
khiển đề xuất được thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F28335
với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm
MATLAB/SIMULINK kết hợp chương trình Code Composer Studio V6 tự động biên
dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại.
Trang v
ABSTRACT
In this project, the Controlled Pulse Wide Modulation (CPWM) is performed
through the balance of two capacitors voltage to reduce output waveform distortion
provides load on a hybrid 5 level NPC inverter. This technique is applied to monitor
the voltage on the capacitor to control two switching the power lock sensibly to ensure
the load voltage supply at least distortion. With techniques balancing algorithms on
the capacitor voltage, the voltage THD index decreased from 28.10% down to
27.57%, the current THD down from 2.35% to 0.75%. This study presents a
comparative study of Capacitor Voltage balance and unbalance techniques. 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 Version 6, which compile
automatically to C-language and download to processor without programming again.
Trang vi
MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. iii
LỜI CẢM TẠ ......................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... v
ABSTRACT ........................................................................................................... vi
MỤC LỤC ............................................................................................................ vii
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. ix
DANH SÁCH HÌNH ............................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG ...........................................................................................xiii
Chương 1 ................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN ......................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước ..................................................................................................................... 1
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 ....................................................................................... 5
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài: ................................................................... 5
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 5
1.6. Điểm mới của đề tài: ..................................................................................... 5
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài:............................................................................. 6
Chương 2 ................................................................................................................. 7
CƠ SỞ LÍ THUYẾT ................................................................................................ 7
2.1 Tổng quan về nghịch lưu ................................................................................ 7
2.2 Các cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc .................................................................. 8
2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC...... 13
Chương 3 ............................................................................................................... 20
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ
NGHỊCH LƯU BA PHA NĂM BẬC GỒM HAI MẠCH NPC BA BẬC .............. 20
3.1
Nguyên lí bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC ......................................... 20
3.2
Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC .......................... 21
Trang vii
3.3
Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NNPC ... 27
3.4
Kết luận .................................................................................................... 41
Chương 4 ............................................................................................................... 42
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ........................................................... 42
VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................................... 42
4.1
Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm ........................................................ 42
4.2
Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm .......................................................... 42
4.3
Tổng thể mô hình thực nghiệm đã thi công ............................................... 56
4.4 Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng ......................... 57
4.5
Kết quả thực nghiệm ................................................................................ 58
CHƯƠNG 5 .......................................................................................................... 77
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................ 77
5.1 Những kết quả đạt được................................................................................ 77
5.2 Kết luận ........................................................................................................ 77
5.3 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 79
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 80
Trang viii
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
A
Ac
Am
: Ampe – Đơn vị đo dòng điện
: Biên độ đỉnh sóng mang
: Biên độ đỉnh sóng điều khiển
: Alternative Phase Opposition Disposition
0
- sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 180 .
: Tụ lọc nguồn DC.
: Controled Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mang có kiểm soát
: Tần số sóng mang
IA
K
L
m
ma
: Tần số sóng điều khiển
: Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter
- Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H
: Dòng điện tải pha A.
: Số khóa chuyển mạch/1 pha
: Điện cảm tải.
: Chỉ số điều chế.
: Tỉ số điều chế biên độ
mf
APOD
C
CPWM
Fc
fm
H-NPC
MSPWM
PD
PWM
R
S
THD
V
Vac
Vd
Vref
Trang ix
: Tỉ số tần số
: Modified Sin Pulse width modulation
– Điều chế độ rộng xung cải biên
: In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha.
: Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung
: Điện trở tải.
: Các khóa đóng ngắt.
: Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng do sóng hài.
: Voltage – Đơn vị đo điện áp
: Điện áp dây nguồn lưới ba pha.
: Điện áp DC của bộ chỉnh.
: Điện áp tải tham chiếu
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2. 1: Bộ nghịch lưu áp dạng NPC .................................................................... 8
Hình 2. 2: Bộ nghịch lưu áp dạng kẹp tụ .................................................................. 9
Hình 2. 3: Bộ nghịch lưu đa bậc Cascade............................................................... 10
Hình 2. 4: Bộ nghịch lưu áp dạng H-NPC .............................................................. 11
Hình 2. 5: Bộ nghịch lưu áp NPC (gồm 2 bộ NPC) ................................................ 12
Hình 2. 6: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục ......... 15
Hình 2. 7: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn ...... 15
Hình 2. 8: Đường đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/biên độ sóng
mang ..................................................................................................................... 15
Hình 2. 9: Dạng sóng điều khiển và sóng mang MSPWM ..................................... 16
Hình 2. 10: Dạng xung kích trong MSPWM .......................................................... 17
Hình 2. 11: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu 3 bậc ......................................... 19
Hình 3. 1: Bộ nghịch lưu gồm 2 mạch NPC 3 bậc dùng nguồn chung .................... 20
Hình 3. 2: Lưu đồ phát xung PWM dùng nhiều sóng mang.................................... 21
Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lí tạo xung PWM bằng nhiều sóng mang ........................ 23
Hình 3. 4: So sáng sóng mang và Uđk tạo xung kích .............................................. 24
Hình 3. 5: Kết quả mô phỏng so sánh 1 sóng sin với 4 sóng mang ......................... 25
Hình 3. 6: Mô tả nguyên lí giải thuật ..................................................................... 26
Hình 3. 7:Lưu đồ giải thuật .................................................................................... 27
Hình 3. 8: Sơ đồ khối trong Matlab ....................................................................... 28
Hình 3. 9: Sơ đồ khối mô phỏng biến tần lai 5 bậc NPC ........................................ 28
Hình 3. 10: Khối nguồn DC và chi tiết khối nguồn DC trong mô phỏng cân bằng tụ
.............................................................................................................................. 29
Hình 3. 11: Điện áp và dòng điện tải khi chưa sử dụng giải thuật cân bằng tụ ........ 29
Hình 3. 12:Kết quả phân tích FFT điện áp trên tải với m=0.8 ................................ 30
Hình 3. 13:Kết quả phân tích FFT dòng điện tải với m=0.8 ................................... 30
Hình 3. 14:Kết quả phân tích FFT điện áp tải với m=0.866 ................................... 31
Hình 3. 15: Kết quả phân tích FFT dòng tải với m=0.866 ...................................... 31
Hình 3. 16: Dạng sóng điện áp và dòng điện tải với m=0.9 .................................... 32
Hình 3. 17: Kết quả phân tích FFT điện áp tải với m=0.9 ...................................... 32
Hình 3. 18: Kết quả phân tích FFT dòng điện tải với m=0.9 .................................. 33
Hình 3. 19: Điện áp và dòng điện tải khi sử dụng giải thuật cân bằng tụ ................ 33
Hình 3. 20: Kết quả phân tích FFT điện áp tải với m=0.8 ...................................... 34
Hình 3. 21: Kết quả phân tích FFT dòng điện tải với m=0.8 .................................. 34
Hình 3. 22: Kết quả phân tích FFT điện áp tải với m=0.866 .................................. 35
Hình 3. 23: Kết quả phân tích FFT dòng điện tải với m=0.866 .............................. 35
Hình 3. 24: Kết quả phân tích FFT điện áp tải với m=0.9 ...................................... 36
Hình 3. 25: Kết quả phân tích dòng điện trên tải với m=0.9 ................................... 36
Trang x
Hình 3. 26: Điện áp trên tụ khi chưa cân bằng ....................................................... 37
Hình 3. 27: Độ chênh lệch điện áp khi tụ V cân bằng .......................................... 37
Hình 3. 29: Mô hình mô phỏng kỹ thuật cân bằng điện áp tụ ................................. 38
Hình 3. 30: Điện áp DC trên hai tụ không cân bằng ............................................... 38
Hình 3. 31: Méo dạng áp tham chiếu ..................................................................... 39
Hình 3. 32: Sơ đồ khối chức năng của khối Comparator and selector..................... 39
Hình 3. 33: Sóng điều khiển sau khi được xử lí qua khối Comparator and selector 40
Hình 3. 34: Điện áp VA1A2, VB1B2, VC1C2 ................................................................ 40
Hình 3. 35: Dạng sóng dòng tải Ita, Itb, Itc ............................................................... 40
Hình 3. 36: kết quả phân tích FFT cho thấy THD=0.75% ...................................... 41
Hình 4. 1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm ..................................................... 42
Hình 4. 2: Cầu chỉnh lưu và sơ đồ nguyên lí .......................................................... 43
Hình 4. 3: Sơ đồ đấu tụ .......................................................................................... 43
Hình 4. 4: Sơ đồ nối dây board 1 mạch gồm 12 IGBT ........................................... 44
Hình 4. 5: Mạch in board 12 IGBT ........................................................................ 44
Hình 4. 6: Board mạch thực tế gồm 2 bộ NPC 3 bậc .............................................. 45
Hình 4. 7: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT FGA25N120 ................................. 45
Hình 4. 8: Sơ đồ đấu dây bộ tải RL ........................................................................ 46
Hình 4. 9: kit vi xử lí DSP TMS32F28335 ............................................................. 47
Hình 4. 10: Sơ đồ bố trí 176 chân PGF/PTP LQFP của F28335 ............................. 49
Hình 4. 11: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 .............................................. 50
Hình 4. 12: Sơ đồ nguyên lí hoạt động IGBT Driver .............................................. 51
Hình 4. 13: Sơ đồ mạch đệm nhằm nâng mức tín hiệu điều khiển từ Card DSP ..... 52
Hình 4. 14: Mạch đệm thực tế 24pin ...................................................................... 52
Hình 4. 15: Sơ đồ thiết kế mạch driver .................................................................. 53
Hình 4. 16: Sơ đồ tổng quan nguyên lí hoạt động mạch cảm biến áp ..................... 54
Hình 4. 17: Sơ đồ nguyên lí mạch cảm biến áp ...................................................... 54
Hình 4. 18: Mạch in board mạch cảm biến áp ........................................................ 55
Hình 4. 19: Mạch cảm biến dòng sử dụng ACS712 ............................................... 55
Hình 4. 20: Nguyên lí hoạt động cảm biến ACS712 .............................................. 56
Hình 4. 21: Mô hình thực tế mạch NPC 5 bậc Lai gồm 2 bộ NPC 3 bậc ................ 56
Hình 4. 22: Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng. 57
Hình 4. 23: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng Simulink/Matlab................. 58
Hình 4. 24: Dạng sóng xung kích không điều khiển cân bằng điện áp tụ khi mô
phỏng (a), và thực nghiệm (b). ............................................................................... 59
Hình 4. 25: Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a trên tải khi mô phỏng (a), và thực
nghiệm (b) ............................................................................................................. 59
Hình 4. 26: Dạng sóng dòng điện pha a khi mô phỏng (a), và thực nghiệm (b) ...... 60
Trang xi
Hình 4. 27: Kết quả phân tích THD dòng tải khi mô phỏng (a), và thực nghiệm (b)
.............................................................................................................................. 60
Hình 4. 28: Mô hình lập trình nhúng giải thuật cân bằng áp tụ ............................... 61
Hình 4. 29: Hình dạng xung kích giữa mô phỏng (a), và thực nghiệm (b) .............. 61
Hình 4. 30: Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a khi điều khiển cân bằng điện áp tụ
giữa mô phỏng (a), và thực nghiệm (b) .................................................................. 62
Hình 4. 31: Dạng sóng dòng điện tải pha a khi thực hiện điều khiển cân bằng điện
áp tụ giữa mô phỏng (a), và thực nghiệm (b) ......................................................... 62
Hình 4. 32: Kết quả phân tích THD dòng tải giữa mô phỏng (a), và thực nghiệm (b)
.............................................................................................................................. 63
Hình 4. 33: Dạng sóng điện áp và dòng điện với Fsm=3kHz ................................. 64
Hình 4. 34: Dạng sóng điện áp và dòng điện khi Fsm=15kHz ................................ 64
Hình 4. 35: dạng sóng điện áp và dòng điện khi Fsm=20kHz ................................ 65
Hình 4. 36: Đặc tính đáp ứng điện áp theo tần số đóng ngắt .................................. 65
Hình 4. 37: Đặc tính đáp ứng dòng điện theo tần số đóng ngắt .............................. 66
Hình 4. 38: Dạng sóng điện áp và dòng điện tải với Vd=50V ................................ 66
Hình 4. 39: Dạng sóng điện áp trên tải với Vd=60V .............................................. 67
Hình 4. 40: Dạng sóng dòng điện trên tải với Vd=60V .......................................... 67
Hình 4. 41: Dạng sóng điện áp trên tải với Vd=70V .............................................. 67
Hình 4. 42: Dạng sóng dòng điện trên tải với Vd=70V .......................................... 68
Hình 4. 43: Dạng sóng điện áp trên tải với Vd=80V .............................................. 68
Hình 4. 44: Dạng sóng dòng điện trên tải với Vd=80V .......................................... 68
Hình 4. 45: Dạng sóng điện áp trên tải với Vd=90V .............................................. 69
Hình 4. 46: Dạng sóng dòng điện trên tải với Vd=90V .......................................... 69
Hình 4. 47: Dạng sóng điện áp trên tải với Vd=100V ............................................ 69
Hình 4. 48: Đặc tuyến THD điện áp theo chỉ số m ................................................. 75
Hình 4. 49: Dạng sóng điện áp 3 pha trên mô phỏng (a) và thực nghiệm (b) .......... 76
Hình 4. 50: Khảo sát độ lệch pha của 3 pha ........................................................... 76
Trang xii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3. 1: So sánh THD khi thay đổi chỉ số điều chế m ........................................ 33
Bảng 3. 2: So sánh THD điện áp và dòng điện khi thay đổi m ............................... 36
Bảng 4. 1: So sánh THD dòng điện tải giữa hai giải thuật điều khiển .................... 63
Bảng 4. 2: So sánh THD khi thay đổi điện áp Vd .................................................. 70
Bảng 4. 3: So sánh THD điện áp giữa mô phỏng và thực nghiệm khi thay đổi chỉ số
điều chế m ............................................................................................................. 72
Trang xiii
Chương 1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước
1.1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo lường, 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 ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần số được
mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng được 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 được 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
được sử dụng trong một số ứng dụng như: Bộ biến đổi tần số cho động cơ, bộ lưu
điện (UPS), nguồn cấp điện chung và cũng cho bộ cấp năng lượng trên mặt đất (GPU)
cho máy bay. Biến tần tĩnh thường được chia ra thành 2 loại là biến tần trực tiếp và
Trang 1
Chương 1
biến tần gián tiếp. Việc điều khiển biến tần gián tiếp tập trung vào điều khiển mạch
nghịch lưu, tức là điều khiển biến đổi DC/AC. Nghiên cứu điều khiển nghịch lưu đã
có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp
điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn và chủ yếu tập
trung vào các mạch nghịch lưu đa bậc. Hiện nay có 2 hướng nghiên cứu về giải thuật
nghịch lưu đa bậc là kỹ thuật nghịch lưu theo điều chế vector không gian và kỹ thuật
nghịch lưu 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 tương
quan SVPWM và CPWM. Kết quả nghiên cứu trên đã giúp thống nhất hai trường
phái nghiên cứu SVPWM và CPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều
khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Hiện nay bộ nghịch lưu áp đa bậc 3 pha được
sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó như công suất cao hơn, chất lượng 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 lưu 3 bậc chúng ta đã có khá nhiều
nghiên cứu và về cơ bản nghịch lưu 3 bậc đã bắt đầu tiến tới việc sản xuất và thương
mại hóa. Tuy nhiên, cấu hình nghịch lưu 3 bậc cũng đã bắt đầu bộc lộ một số nhược
điểm mà ta khó khắc phục. Ví dụ như độ méo hài tổng khá lớn, điện áp common
mode khá lớn [3,6] và việc triệt tiêu 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 lưu 5 bậc lai là một cấu hình nghịch lưu cho thấy nhiều khả năng đáp
ứng điều này. Chính vì vậy việc chọn hướng nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu
bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc gồm 2 bộ NPC 3 bậc ” là phù hợp và cấp bách.
1.1.2. Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố
1.1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong những năm vừa qua các nhóm nghiên cứu trong nước có khá nhiều
nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc. Nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha năm bậc NPC của
tác giả Danh Tuấn Lê đã trình bày mô phỏng và thực nghiệm bằng phương pháp điều
Trang 2
Chương 1
chế mới cho biến tần lai H-NPC 5 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyển mạch
ít, hiệu quả trong việc giảm common-mode với THD Uta = 7.4% [1].
Vấn đề cân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 bậc dùng ZeroSequence Volttage đã được 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 THD Uta= 35,66% [2].
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 lưu 3
bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao và THD Uta= 50,99% [3].
Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều
khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc
nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch
lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [4].
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Có khá nhiều nghiên cứu ngoài nước 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” [5]. Đây là nghiên cứu tiêu biểu cho hướng điều chế sử dụng kỹ thuật
SVPWM. Bài báo tập trung trình bày một trình tự chuyển mạch theo điều chế vector
không gian nhằm tối ưu hóa cho các cải thiện giảm hài bậc cao và giảm tần số chuyển
mạch của các khóa công suất. Cấu hình nghịch lưu trong nghiên cứu là cấu hình
nghịch lưu lai 5 bậc. Trong đó, mỗi pha của nghịch lưu bao gồm hai nhánh NPC, một
nhánh được kết nối với thiết bị đầu ra (tải) và nhánh còn lại kết nối với điểm trung
tính. Mỗi được cung cấp bởi nguồn DC độc lập.
Trang 3
Chương 1
- “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over
Modulation Operation” [6]. 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 phương pháp
SVPWM đa cấp đề xuất sử dụng điều chế hai bậc để tính toán trước đó, việc tính toán
trên cho một biến tần n bậc trở nên dễ dàng hơn. Các thuật toán SVPWM đề xuất có
thể được áp dụng trong cả hai chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá điều chế. Biến
tần 5 bậc NPC sử dụng các phương pháp đã được đề xuất ở trên, với số lần chuyển
mạch ít và THD < 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 phương pháp điều khiển nghịch
lưu đã và đang được 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 được sản
xuất ngày càng nhiều, được 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
trường 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 trường, 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.
Việc kết hợp giữa IC DSP TMS320F28335 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều
khiển linh hoạt, giúp người 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 tượng.
Trang 4
Chương 1
1.3. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phương pháp kỹ thuật điều chế độ rộng xung cải biến cho bộ
nghịch lưu áp 5 bậc lai NPC.
Thực hiện mô phỏng giải thuật đề xuất trên phần mềm Matlab và thực nghiệm
trên mô hình nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC. Từ kết quả so sánh giữa mô phỏng với
mô hình thực nghiệm sẽ đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo và các ứng dụng cho
nghịch lưu 5 bậc lai 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. Mục tiêu kết quả thực nghiệm
phải đạt được 50% so với mô phỏng.
- Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM cho nghịch lưu 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 lưu ba pha năm bậc lai
NPC.
- Thực nghiệm giải thuật trên mô hình nghịch lưu 5 bậc lai 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 lưu 5 bậc lai NPC.
1.6. Điểm mới của đề tài:
- Đề tài đã triển khai ứng dụng phương pháp điều chế CPWM trên cấu hình
nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC.
- Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật CPWM trên nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai
NPC
Trang 5
Chương 1
- Dựa trên các tiêu chuẩn TCVN để đề xuất khả năng và phạm vi ứng dụng
của nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai 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 lưu 3 pha 5 bậc lai NPC.
- Xác định được phạm vi ứng dụng của nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai NPC
Trang 6
