Nghiên cứu bộ nghịch lưu nguồn z và xử lý lỗi

Chương 1. TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Trong đời sống và sản xuất công nghiệp hiện nay, các bộ nghịch lưu (Voltage source
Inverters) được sử dụng rộng rãi để điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện (UPS),
hệ thống phân phối điện, xe điện, các hệ thống pin năng lượng mặt trời…Với những ứng
dụng thiết thực và rộng rãi như trên việc nghiện cứu và tối ưu các bộ nghịch lưu là một yêu
cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả thay cho bộ
nghịch lưu truyền thống với một số hạn chế nhất định như sau:
-

Điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp ngõ
vào hay nói cách khác nghịch lưu truyền thống chỉ là bộ nghịch lưu giảm áp.

-

Hai khóa đóng ngắt (IGBT) trên cùng một nhánh (ví dụ T1 và T4) không được
phép đóng cùng lúc vì khi đó sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch nguồn áp một chiều
gây hư hỏng thiết bị, linh kiện.

Hình 1.1 Bộ Nghịch lưu ba pha truyền thống
Trong lĩnh vực năng lượng mới, năng lượng tái tạo điển hình là pin mặt trời (PV), pin
nhiên liệu…, điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện một chiều có giá trị điện
áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian và môi trường làm việc.
Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này để chuyển đổi thành điện xoay chiều
220V/380V, đòi hỏi điện áp một chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

Chương 1. TỔNG QUAN
hơn 310 VDC (giá trị điện áp đỉnh của 220 VAC). Để có được điện áp một chiều giá trị lớn
ta phải mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng lớn pin
phải được sử dụng, lắp đặt trên diện tích rộng lớn. Điều này chỉ thích hợp với hệ thống
công suất lớn. Với những hệ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380 từ
nguồn điện áp thấp, người ta thường dùng: (1) máy biến áp tần số thấp (50Hz) để tăng điện
áp xoay chiều ngõ ra; (2) bộ tăng áp điện một chiều (DC-DC boost converter).
KHỐI NGUỒN DC
( PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HAY
ACQUY)

BỘ NGHỊCH LƯU
DC-AC

150300VDC

MÁY BIẾN ÁP
50Hz

110VDC

TẢI XOAY
CHIỀU

220/
380VAC

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số
Hình 1.2 minh họa bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp. Các

tấm pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu được nối với nhau tạo thành một dãy nguồn áp một
chiều có điện áp thay đổi từ 150 V đến 300 V (tùy thuộc vào môi trường và điều kiện làm
việc). Điện áp này sau khi qua bộ nghịch lưu sẽ có điện áp xoay chiều 110 V. Sau đó người
ta dùng máy biến áp 50 Hz để nâng mức điện áp theo yêu cầu phía tải. Đối với phương
pháp dùng máy biến áp tần số thấp này sẽ cho hiệu quả không cao vì làm tăng kích thước,
tạo nhiều sóng hài, nhiễu, hiệu suất làm việc thấp, không ổn định và ít được sử dụng.
Phương pháp thứ hai dùng bộ tăng áp DC-DC như chỉ trong Hình 1-3 hiện đang được sử
dụng rộng rãi. Tuy nhiên nó cũng có một vài nhược điểm:
Sử dụng hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm tăng kích thước, giảm hiệu suất toàn hệ
thống.
Tăng thêm các thiết bị điều khiển đóng ngắt (IGBT, MOSFET…) và mạch lái để điều khiển
các thiết bị đóng ngắt này.
Tăng thêm bộ tăng áp DC-DC sẽ làm tăng giá thành.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


Chương 1. TỔNG QUAN
Hình 1.3 mô phỏng sơ đồ hoạt động của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp
một chiều. Điện áp một chiều từ các dãy pin sau khi qua bộ tăng áp một chiều sẽ được giữ
ổn định tại 400V. Điện áp này sau đó cung cấp cho bộ nghịch lưu để biến đổi thành điện
xoay chiều.
KHỐI NGUỒN DC
( PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HAY
ACQUY)

BỘ TĂNG ÁP

DC-DC

150-300VDC

TẢI
XOAY
CHIỀU

BỘ NGHỊCH LƯU
DC-AC

400VDC

220/380VAC

Hình 1.3. Sơ đồ khố của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều
Và cơ chế phát hiện lỗi rất quan trọng trong các cấu hình nghịch lưu có khả năng chịu
lỗi. Nếu không được tích hợp hệ thống phát hiện lỗi tự động thì không có cách nào để cải
tiến xử lý lỗi. Có nhiều phương pháp được áp dụng để phát hiện lỗi như phương pháp nhận
dạng mẫu , Fuzzy logic và trí tuệ nhân tạo .
Để giải quyết các vấn đề của bộ nghịch lưu truyền thống và các vấn đề nêu trên, nhóm
quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu bộ nghịch lưu nguồn Z và xử lý lỗi”.
Đề tài dựa vào bài báo “ Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC tăng áp bằng chuyển mạch
LC” đã được công bố trên tạp chí IEEE vào năm 2016.
Với các tính năng:
• Có khả năng tăng áp Vdc đầu vào qua đó giảm số lượng pin hay ac-quy ngõ vào, qua
đó giảm chi phí lắp đặt.
• Hiệu suất chuyển đổi cao do chỉ qua một chặng biến đổi từ DC-AC.
• Cho phép cả hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng cùng lúc. Do đó thời gian
chết tạo ra trong quá trình chuyển mạch giữa các khóa được loại bỏ. Vì thế độ méo

dạng của điện áp ngõ ra (THD) được giảm.
• Giảm điện áp ngõ vào, đồng thời giúp giảm điện áp đặt lên IGBT.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


Chương 1. TỔNG QUAN
• Cấu hình nghịch lưu sẽ có độ tin cậy cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ
tin cậy cao như trong lĩnh vực y tế, quân sự,…
Bộ nghịch lưu này được tìm thấy trong nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống pin mặt
trời hay điều khiển xe điện dùng pin nhiên liệu.

1.2 Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài mà nhóm thực hiện hướng tới là: Dựa trên cấu hình tham khảo từ
bài báo nêu trên sẽ tiến hành cải tiến từ nghịch lưu truyền thống thành nghịch lưu NPC sử
dụng vào sau đó, nhánh dự phòng với các khóa công suất mới sẽ được thay thế cho khóa
bị lỗi. Bên cạnh phải đảm bảo cách li linh kiện bị lỗi, cầu chì cũng giúp bảo vệ khóa công
suất IGBT, cũng như các linh kiện xung quanh trành khỏi hư hỏng.
- Giảm dung lượng cuộn cảm (L).
- Sử dụng một nguồn Vdc để tránh hiện tượng trôi điện áp.
- Xây dựng một mô hình chảy ổn định.
- Nghiên cứu các vấn đề lỗi xảy ra trong cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc và đưa ra giải
thuật xử lý lỗi cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC

1.3 Nội dung nghiên cứu
-Nội dung 1: Thu thập và nghiên cứu tài liệu về nghịch lưu.
-Nội dung 2: Các giải pháp thiết kế hệ thống, tham khảo mô hình thực tế.
-Nội dung 3: Tìm hiểu phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển.

-Nội dung 4: Thiết kế mô hình.
-Nội dung 5: Đánh giá kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm.
-Nội dung 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án.

1.4 Giới hạn
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC.
- Đây là đề tài mới nên tài liệu nghiên cứu bị hạn chế và mang tính tham khảo, đa số là
tài liệu của nước ngoài cần có thời gian nghiên cứu và tìm hiểu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


Chương 1. TỔNG QUAN
-Quy mô tương đối nhỏ, chỉ dùng cho hộ gia đình.
-Do tính an toàn trong phòng thí nghiệm nên bộ nghịch lưu 3 pha chỉ có áp ngõ ra là
110VAC/2A.
-Các trang thiết bị gây ra sai số trong quá trình thực nghiệm.

1.5 Bố cục
-Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và bố cục
đồ án.
-Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Hệ thống lại những kiến thức nền cơ bản.
-Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán.
Đưa ra phương án thiết kế, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học.
-Chương 4: Xây dựng mô hình và mô phỏng.
Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch.
Ghi chương trình và chạy mô phỏng ,đo dạng sóng ngõ ra.

-Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Trình bài kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá.
-Chương 6: Kết luận và Hướng Phát Triển
Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được. Có hướng phát
triển cho đề tài.
-Tài liệu tham khảo
Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiện đồ án tốt nghiệp

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


Chương 1. TỔNG QUAN

Contents
Chương 1. TỔNG QUAN.................................................................................................... 1
1.1

Đặt vấn đề .............................................................................................................. 1

1.2

Mục tiêu ................................................................................................................. 4

1.3

Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 4

1.4 Giới hạn .................................................................................................................. 4

1.5 Bố cục ..................................................................................................................... 5

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về nghịch lưu áp
2.1.1 Giới thiệu tổng quát:
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang
dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn
cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi
là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hay gọi tắt là bộ nghịch
lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ngõ ra không giống nhau, ví dụ
như bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng
là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn
áp.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm
ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do
đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện đóng ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng
điện.
Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng
(động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển
mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó
linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR).
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra. Nguồn điện áp một
chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay
chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Linh kiện trong bộ nghịch lưu có khả năng kích đóng hay ngắt dòng điện đi qua nó tức
là đóng vai trò như một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ có thể sử dụng
transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc. Ở các ứng dụng có công suất lớn có thể sử
dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Các hệ thống phát điện tái tạo cho ra các nguồn điện sơ cấp khác nhau, phụ thuộc vào
điều kiện làm việc, yêu cầu trong quá trình vận hành. Do đó cần thiết phải có thiết bị biến
đổi điện tử công suất để cho phép truyền tải bằng phần tử phi tiếp điểm có khả năng điều
khiển được, khi ghép nối với lưới hoặc phụ tải.
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
➢

Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).

➢

Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).

➢

Dạng ghép tầng (Cascade inverter).

2.1.3.1 Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)

Hình 2.1: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng NPC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phù hợp cho các cấu hình có nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu ba
pha ba bậc chứa cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành hai cấp điện
áp nhỏ hơn nhờ có hai tụ điện mắc nối tiếp nhau.

Nguyên lý hoạt động:
Để Vo = Vdc/2, các khóa S1x, S2x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.
Để Vo = 0 , khóa S2x, S3x dẫn.
Để Vo = -Vdc/2, các khóa S3x, S4x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.
Ưu điểm

Khuyết điểm

_ Dạng sóng điện áp được cải tiến so với _ Khi bộ nghịch lưu có số bậc từ 3 trở lên
dạng trên linh kiện.sóng ở cấu hình truyền thì mức độ chịu được gai áp trên các diode
thống.

không đều.

_ Giảm sốc điện áp.

_ Cân bằng áp giữa các nguồn DC phức
tạp.
Bảng 2.1: Ưu nhược dạng diode kẹp NPC

2.1.3.2 Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

Hình 2.2: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng tụ kẹp
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên lý hoạt động:
Để Vo = Vdc/2, các khóa S1x, S2x dẫn, các khóa còn lại không dẫn
Để Vo = 0 , khóa S2x, S3x dẫn.
Để Vo = -Vdc/2, các khóa S3x, S4x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.
Ưu điểm

Khuyết điểm

_ Khi tần số tăng cao thì không cần dùng _ Sử dụng số lượng lớn tụ công suất làm
bộ lọc

tăng giá thành, giảm độ tin cậy.

_ Có thể điều khiển được công suất tác _ Khi số bậc của bộ nghịch lưu tăng, việc
dụng cũng như công suất phản kháng và điều khiển cấu hình trở nên phức tạp.

phân bố công suất.
Bảng 2.2: Ưu nhược dạng dùng tụ thay đổi
2.1.3.3 Dạng ghép tầng (Cascade inverter)

Hình 2.3: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc dạng cascade
Phù hợp cho cấu hình sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng bình acquy, pin. Bộ
nghịch lưu ba pha ba bậc dạng cascade gồm bộ nghịch lưu áp cầu một pha, các bộ nghịch
lưu áp dạng cầu một pha này có các nguồn DC riêng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên lý hoạt động:
Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc trên cùng một nhánh không được kích đóng
đồng thời, tức là hai công tắc trên cùng một nhánh luôn ở trạng thái một được kích đóng
và một được kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng trên cùng một nhánh (Trạng thái
ngắn mạch) không được phép xãy ra.
Để Vo = Vdc, các khóa S1x, S3x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.
Để Vo = 0 , khóa S2x, S3x dẫn hoặc khóa S1x, S4x dẫn.
Để Vo = -Vdc, các khóa S2x, S4x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.
Ưu điểm

Khuyết điểm

_ Tần số đóng cắt giảm hơn cấu hình _ Số linh kiện sử dụng trong cấu hình
nhiều.

NPC.
_ Giảm điện áp đặt trên các linh kiện.

Bảng 2.3: Ưu nhược dạng ghép tầng
Các cấu hình nghịch lưu ba pha ba bậc ở trên sử dụng nhiều tụ điện và diode. Việc sử
dụng nhiều tụ điện và diode làm cho giá thành của bộ nghịch lưu tăng cao,kích thước tăng,
độ tin cậy giảm. Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng bộ nghịch lưu ba pha ba
bậc NPC.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2. Giới thiệu nghịch lưu ba pha nguồn Z ba pha NPC
2.2.1 Giới thiệu nghịch lưu ba pha nguồn Z ba pha NPC

Hình 2.1: Cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC
Phù hợp cho các cấu hình có nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu ba pha
ba bậc chứa cặp diode kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành hai cấp điện áp
nhỏ hơn nhờ có hai tụ điện mắc nối tiếp nhau.
Ưu điểm

Khuyết điểm

_ Dạng sóng điện áp được cải tiến so với _ Khi bộ nghịch lưu có số bậc từ 3 trở lên
dạng trên linh kiện.sóng ở cấu hình truyền thì mức độ chịu được gai áp trên các diode
thống.

không đều.

_ Giảm sốc điện áp.

_ Cân bằng áp giữa các nguồn DC phức
tạp.
Bảng 2.4: Ưu nhược dạng diode kẹp NPC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc cấu hình NPC vẫn còn tồn tại những nhược điểm sau :
- Việc sử dụng nhiều khóa công suất bán dẫn làm ảnh hưởng đến độ tin cậy của toàn hệ
thống. Các linh kiện bán dẫn như IGBT và MOSFET rất dễ bị hư hỏng (Bị hở mạch hoặc
ngắn mạch) [6].
- Vì không được trang bị, thiết kế dự phòng, nên khi có sự cố xãy ra, toàn bộ hệ thống
bị đình trệ, gián đoạn. Trong nhiều lĩnh vực như quân sự, y tế, tài chính đòi hỏi rất cao về
độ tin cậy của hệ thống, việc xảy ra lỗi trong hệ thống điện sẽ dẫn đến tổn thất rất lớn về
tài sản cũng như ảnh hưởng đến tính mạng con người.
Để khắc phục những nhược điểm trên, đề tài này sẽ nghiên cứu bộ nghịch lưu nguồn Z –
NPC và xử lý lỗi.Do đó, đề tài này đề xuất bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC kết hợp giải
thuật xử lý lỗi để khắc phục những nhược điểm kể trên. Chúng ta tập trung vào tìm hiểu và
phân tích hoạt động của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc cấu hình NPC và đề xuất giải thuật
điều khiển xử lý lỗi.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Về cơ bản mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC hoạt động sẽ có 3 mức trạng thái
➢ Để Vo = Vdc/2, các khóa S1x, S2x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.

➢ Để Vo = 0 , khóa S2x, S3x dẫn.
➢ Để Vo = -Vdc/2, các khóa S3x, S4x dẫn, các khóa còn lại không dẫn.

2.3 Giới thiệu về nghịch lưu nguồn Z ba pha NPC
2.3.1 Giới thiệu
Nghịch lưu sử dụng trong ứng dụng hiện nay phân làm hai loại cơ bản: Nghịch lưu
nguồn áp - NLNA, nghịch lưu nguồn dòng - NLND. Trong đó, nghịch lưu nguồn áp được
sử dụng phổ biến và có đặc điểm sau: đầu vào nghịch lưu áp phải có tụ điện dung lượng
lớn, điện áp đầu ra nghịch lưu bị giới hạn bởi điện áp một chiều và không cho phép ngắn
mạch đầu ra, do đó xuất hiện thời gian chết deadtime trong mỗi nhánh van mạch nghịch
lưu là nguyên nhân gây nhiễu điện từ EMI trong hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng trong ứng dụng có công suất lớn và có đặt điểm sau:
Đầu vào NLND phải có điện cảm giá trị lớn và cần có bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện
không đổi, điện áp ra của NLND lớn hơn điện áp đầu vào và không cho phép làm việc hở
mạch. Như vậy, cả hai cấu hình NLNA và NLND chỉ có thể thực hiện chức năng tăng áp
hoặc giảm áp.
Hệ thống phát điện bằng pin năng lượng mặt trời đang dần dần được ứng dụng vào
trong đời sống hàng ngày. Nhưng ngõ ra của nó là một nguồn DC có điện áp thấp nên
chúng ta cấn có một bộ nghịch vừa có thể chuyển đổi DC/AC vừa có thể tăng điện áp ngõ
ra để phù hợp với thiết bị sinh hoạt trong hộ gia đình, chung cư, nhà xưởng, hay hòa vào
điện lưới quốc gia theo giá trị mong muốn. Do đó, nghịch lưu NPC đã mở ra triển vọng
ứng dụng cho các hệ phát điện như phân tán như: pin năng lượng mặt trời, fuel cell, sức
gió…thích hợp trong lưới điện.

Với đặc điểm cấu trúc mạch động lực đồng nhất không có sự phân biệt rõ các tầng biến
đổi công suất. Vì vậy, thiết kế một cấu trúc điều khiển nghịch lưu NPC đặt ra nhiều vấn đề
cần giải quyết. Do đó, đề tài đi nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch lưu NPC
hướng đến hai ứng dụng cụ thể cho hệ phát điện sử dụng pin năng lượng mặt trời và hệ
phát điện sử dụng sức gió.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.2 Nguyên lí làm việc nghịch lưu nguồn Z ba pha NPC

Hình 2.5: Mạch nguyên lý toàn mạch
Mạch nghịch lưu ba pha nguồn Z hoạt động dựa vào trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp
đầu ra so với điện áp vào, đó là điểm mới của mạch nghịch lưu nguồn Z so với mạch nghịch
lưu truyền thống.
Hoạt động chính của mạch nghịch lưu Nguồn Z – NPC bao gồm 2 trạng thái tạm gọi là
trạng thái “ngắn mạch” và trạng thái “không ngắn mạch”.
➢ Xét trạng thái ngắn mạch và không ngắn mạch:
Ở mạch nghịch lưu truyền thống thì trạng thái ngắn mạch là trường hợp cấm, vì sẽ làm
hỏng các linh kiện điện tử công suất trong mạch. Trong mạch nghịch lưu nguồn Z thì trạng
thái ngắn mạch là nét đặc trưng cho mạch, ở trạng thái ngắn mạch thì các cuộn cảm sẽ được
nạp năng lượng từ các tụ điện. Dòng điện của tải trở cảm sẽ được duy trì bởi các Diode
mắc song song với các IGBT. Để hiểu rõ hơn các trạng thái hoạt động của mạch ta xét bảng
trạng thái trong trường hợp ngắn mạch của mạch nghịch lưu nguồn Z – NPC.
Trạng thái

IGBT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Vout

14


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Không ngắn mạch

S1x,S2x

Vdc/2

Không ngắn mạch

S2x,S3x

0

Không ngắn mạch

S3x,S4x

-Vdc/2

Ngắn mạch

S1x,S2x,S3x,S4x

0

Bảng 2.5: Trạng thái ngắn mạch
Sau trạng thái ngắn mạch sẽ trở về lại trạng thái bình thường, khi đó các cuộn cảm xả năng
lượng lên mạch nghịch lưu, đồng thời khi đó có điện áp của nguồn cung cấp cho mạch
nghịch lưu. Do đó điện áp tổng cấp cho mạch nghịch lưu lúc này lớn hơn so với các mạch
nghịch lưu truyền thống.

2.4 Các lỗi xảy ra trong cấu hình nghịch lưu
2.4.1 Các nguyên nhân phổ biến gây ra lỗi cho cấu hình nghịch lưu
Trong các cấu hình nghịch lưu, có rất nhiều nguyên nhân gây ra lỗi như sự cố do tải, lỗi do
đứt đường dây, do sấm sét, do các linh kiện cơ khí,…Đề tài này, chỉ tập trung vào các lỗi
xảy ra trên linh kiện bán dẫn.
Lỗi hở mạch trên khóa công suất là do tín hiệu điều khiển cực cổng không đúng hoặc do
xung điều khiển không tới được cực cổng dẫn đến một khoảng thời gian mạch bị gián đoạn
làm linh kiện bị quá nhiệt gây hư hỏng.
Lỗi ngắn mạch trên khóa công suất gây tác hại lớn nhất vì nó gây cháy nổ thiết bị, linh
kiện, bo mạch,…Có hai nguyên nhân chính:
- Do xung điều khiển cực cổng không chính xác hoặc luôn có xung kích dẫn ở cực cổng.
- Quá dòng điện dẫn đến nhiệt độ tăng cao làm hư hỏng linh kiện.
Lỗi hở mạch ở diode là do trước đó đã có lỗi ngắn mạch ở linh kiện gần đó, gây ra điện áp
ngược đặt lên diode. Lỗi này ít khi xãy ra nhưng cũng gây ra quá điện áp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

15


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4.2 Lỗi ngắn mạch và hở mạch

Hình 2.6: S1 bị lỗi
Hình 2.8 cho thấy, khi 𝑆1 xảy ra sự cố hở mạch hoặc ngắn mạch. Từ hình 2.8 cho thấy, sau
khi 𝑆1 hở mạch, ngõ ra không thể đạt được bậc điện áp dương. Khi 𝑆1 ngắn mạch, ngõ ra
không thể đạt được bậc zero hoặc bậc điện áp âm
Hình 2.8 cho thấy, khi S1 hở mạch, ngõ ra không thể đạt được điện áp bậc dương.
Điện áp ngõ ra bậc âm và bậc zero cũng bị ảnh hưởng khi S1 ngắn mạch. Kết quả cũng
tương tự cho trường hợp S4.
Đối với S1 và S4, dù là lỗi hở mạch hay ngắn mạch đều ảnh hưởng đến ngõ ra.
Đối với lỗi ngắn mạch, có thể dùng cầu chì bảo vệ. Khi sự cố ngắn mạch xảy ra, cầu chì
đứt. Lúc này, quy về việc xử lý sự cố hở mạch. Bài báo này sẽ tập trung xử lý lỗi hở mạch
của S1 và S4 ở mỗi pha.
2.4.3 Quy trình xử lý
➢ Phát hiện lỗi
Cơ chế phát hiện lỗi rất quan trọng trong các cấu hình nghịch lưu có khả năng chịu lỗi. Nếu
không được tích hợp hệ thống phát hiện lỗi tự động thì không có cách nào để cải tiến xử lý
lỗi. Có rất nhiều phương pháp được áp dụng để phát hiện lỗi như phương pháp nhận dạng
mẫu, Fuzzy logic và trí tuệ nhân tạo .
➢ Cách ly linh kiện bị lỗi

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

16


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cầu chì thường được sử dụng để cách ly các linh kiện bị sự cố ngắn mạch. Sau đó, nhánh
dự phòng với các khóa công suất mới sẽ được thay thế cho khóa bị lỗi. Bên cạnh phải đảm
bảo cách li linh kiện bị lỗi, cầu chì cũng giúp bảo vệ khóa công suất IGBT, cũng như các

linh kiện xung quanh tránh khỏi hư hỏng.
➢ Thay thế nhánh bị lỗi bằng nhánh dự phòng
Việc thiết kế và sử dụng nhánh dự phòng cho cấu hình nghịch lưu sẽ làm tăng thêm chi phí
cũng như kích cỡ. Bù lại, cấu hình nghịch lưu sẽ có độ tin cậy cao hơn, phù hợp cho các
ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao như trong lĩnh vực y tế, quân sự,…

2.5 Giới thiệu phần cứng
Thiết bị đầu vào: Điện áp 75VDC.
Thiết bị đầu ra: Điện trở 50 Ohm,cuộn cảm 3mH.
Thiết bị điều khiển trung tâm: card DSP TMS320F28335
Các chuẩn truyền dữ liệu: USB
Thiết bị lưu trữ: thẻ nhớ, USB.
Thiết bị điều khiển: máy tính
Thiết bị đo lường : Oscilloscope, Ampere kẹp, VOM…
Công cụ : búa, kiềm, tuavit, kiềm bấm cos…
Khác: máy in, bàn ủi, máy khoan..

2.6 Tổng quan về card xử lí tín hiệu số TMS320F28335
2.6.1 Giới thiệu card DSP TMS320F28335
Họ F28335 là bộ phận của bộ điều khiển tín hiệu số TMS320C2000. Với 32x32 bit khả
năng xử lý có thể điều khiển để xử lý các vấn đề số học độ chính xác cao một cách có hiệu
quả. Thiết bị này có 8 cấp bảo vệ xử lý liên hợp với bộ nhớ truy cập xử lý liên hợp. Việc

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

17


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
xử lý liên hợp này cho phép nó thực hiện ở tốc độ cao mà không cần bộ nhớ tốc độ cao đắt

tiền.

Hình 2.7: Kit vi xử lý DSP TMS320 F28335
➢ Các đặc điểm cơ bản của F28335:
Công nghệ CMOS tĩnh hiệu suất cao. Đạt đến 150MHz ( thời gian quét chu trình 6.67ns).
Thiết kế điện áp lõi 1.9V/1.8V, I/O 3.3/5V.
CPU 32 bit hiệu suất cao. Theo tiêu chuẩn IEEE-750. Độ chính xác vận hành 16x16 và
32x32 bit. Điều khiển vận hành kép 16x16 bit.
Cấu trúc Harvard bus. Đáp ứng và xử lý ngắt nhanh. Kiểu bộ nhớ chương trình thống nhất.
Tương thích mã chương trình C/C++ và Assembly.
Bộ điều khiển DMA sáu kênh (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM). Giao diện
bên ngoài 16 bit hoặc 32 bit (XINTIF). Hơn 2Mx16 miền địa chỉ.
Bộ nhớ trên chip: F28335/F28235 là 256Kx16 Flash, 34Kx16 SARAM. 1Kx16 OTP ROM
Bộ nhớ ROM khởi động (8Kx16 )
Với phương thức phần mềm khởi động (via SCI, SPI, CAN, I2C, McBSP, XINTF, and
Parallel I/O).
Bảng tính toán tiêu chuẩn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

18


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
+ GPIO0 đền GPIO63 ( General_ Purpose IO) chân có thể kết nối đến 1 trong 8 ngắt bên
ngoài.
+ Khóa ngắt ngoại vi mở rộng (PIE) chứa đựng tất cả 58 ngắt ngoại vi.
+ 128 bit khóa an toàn.
Khóa bảo vệ Flash/OTP/RAM ngăn cản việc ăn cắp chương trình. Nâng cao khả năng điều
khiển ngoại vi.

➢ DSP F28335 có:
Có đến 18 ngõ ra PWM, 6 ngõ ra HRPWM với độ phân giải 150 ps, 6 ngõ vào thu nạp sự
kiện, 2 giao diện mã hóa vuông góc, 8 bộ đếm thời gian 32 bit, 16 bit. Ba bộ đếm thời gian
CPU 32 bit, port nối tiếp ngoại vi, 3 SCI (UART) modules, có 2 McBSP modules. Một SPI
Module, một Bus nhập dữ liệu tích hợp, 12 bit ADC, 16 kênh tốc độ chuyển đổi 80 ns.
Bộ chuyển đổi đơn/đồng thời truy cập bên trong và bên ngoài.
+ Có 88 chương trình đơn lẻ, dồn kênh GPIO Pins với bộ lọc tín hiệu vào.
+ Hỗ trợ JTAG ranh giới quét.
+ Các tính năng tiên tiến.
Chức năng phân tích và điểm chuyển tiếp. Tìm và khắc phục lỗi phần cứng trong thời gian
thực.
Hỗ trợ phát triển bao gồm:
+ANSI C/C++ Compiler/Assembler/Linker.
+Mã Composer Studio™ IDE. DSP/BIOS™.
Kỹ thuật số điều khiển động cơ và thư viện phần mềm điện kỹ thuật số.
Các chế độ công suất thấp và tiết kiệm điện năng.
Chế độ hỗ trợ IDLE, STANDBY, HALT.
+ Khối chức năng của F28335
Khối bộ nhớ thì không co giản :

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

19


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
+ Các sơ đồ bộ nhớ Peripheral Frame 0, Peripheral Frame 1, Peripheral Frame 2, and
Peripheral Frame 3 chỉ giới hạn là bộ nhớ dữ liệu. Một chương trình người dùng không thể
truy cập vào sơ đồ bộ nhớ này trong không gian chương trình.
+ Phạm vi bộ nhớ nhất định được EALLOW bảo vệ chống lại nhiễu sau khi cấu hình ghi.

+ Địa chỉ từ 0x38 0080-0x38 0088 chứa đoạn chương trình kiểm tra kích thước ADC.
+ Nếu eCAN không được sử dụng trong một ứng dụng, RAM sẵn có (LAM, MOTS,
MOTO, and mailbox RAM) có thể được sử dụng như RAM đa năng. Module phát xung
CAN cho phép làm điều này.

2.7 Giới thiệu về card FPGA
2.7.1 Khái niệm FPGA
Field Programmable Gate Arrays là một chip logic số có thể lập trình được, tức là bạn có
thể sử dụng chúng để lập trình cho hầu hết các chức năng của bất kỳ một thiết kế số nào.
Đã có nhiều tài liệu trên website nói nhiều về FPGA nhưng ở đây mình muốn các bạn chú
ý đến cái tên của nó. Mình thấy trên các website người ta dich chữ FIELD là dạng trường.
Nhưng ở đây không phải như vậy. FIELD nghĩa là nơi sử dụng con chip. Field
Programmable nghĩa là có thể lập trình được tại nơi của người sử dụng khác với một số
chip là phải lập trình tại nơi sản xuất. FPGA được tạo thành từ một mảng (matrix hay array)
các phần tử khả trình nên được gọi là Programmable Gate Array.
Bộ nhớ tĩnh đầu tiên dựa trên FPGA (thường được gọi là SRAM trên nền FPGA) được đề
xuất bởi Wahlstrom vào năm 1967. Sau đó bản thương mại của FPGA được Xilinx giới
thiệu vào năm 1984. Lúc này nó gồm có một mảng của các khối logic có thể tái cấu hình –
Configurable Logic Blocks (CLBs) và các đầu vào ra – I/O (input/output). Chip FPGA đầu
tiên chứa 64 CLBs và 58 I/Os. Ngày nay, FPGA có thể chứa khoảng 330,000 CLBs và
khoảng 1100 I/Os. Phần lớn các sản phẩm FPGA trên thị trường hiện nay đều dựa trên
công nghệ SRAM với 2 hãng sản xuất lớn nhất là Xilinx và Altera. Ngoài ra còn có các
hãng khác sản xuất FPGA nhưng với mục đích chuyên dụng (Atmel, Actel, Lattice,
SiliconBlue,..).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

20

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kiến trúc cơ bản của FPGA bao gồm 3 thành phần chính: khối logic có thể tái cấu hình,
Configurable Logic Blocks (CLBs) thực hiện các chức năng logic; các kết nối bên trong,
Porgrammable Interconnect có thể lập trình để kết nối các đầu vào và đầu ra của các CLB
và các khối I/O bên trong; các khối I/O cung cấp giao tiếp giữa các ngoại vi và các được
tín hiêu bên trong.
➢ Dưới đây là một chip FPGA điển hình và từng khối của nó.

Hình 2.12: Cấu trúc tổng thể của một FPGA
• Khối logic có thể tái cấu hình.
Mục đích của việc lập trình khối logic trong FPGA là để cung cấp các tính toán và các phần
tử nhớ cơ bản được sử dụng trong hệ thống số. Một phần tử logic cơ bản gồm một mạch tổ
hợp có thể lập trình, một Flip-Flop hoặc một chốt (latch). Ngoài khối logic cơ bản đó, nhiều
Chip FPGA hiện nay gồm một hỗn hợp các khối khác nhau, một số trong đó chỉ được dùng
cho các chức năng cụ thể, chẳng hạn như các khối bộ nhớ chuyên dụng, các bộ nhân
(multipliers) hoặc các bộ ghép kênh (multiplexers). Tất nhiên, cấu hình bộ nhớ được sử
dụng trên tất cả các khối logic để điều khiển các chức năng cụ thể của mỗi phần tử bên
trong khối đó.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

21


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• Kết nối có thể lập trình.
Các liên kết trong một FPGA dùng để liên kết các khối logic và I/O lại với nhau để tạo
thành một thiết kế. Bao gồm các bộ ghép kênh, các transistor và cổng đệm ba trạng thái.
Nhìn chung, các transistor và bộ ghép kênh được dùng trong một cụm logic để kết nối các

phần tử logic lại với nhau, trong khi đó cả ba đều được dùng cho các cấu trúc định tuyến
bên trong FPGA. Một số FPGA cung cấp nhiều kết nối đơn giản giữa các khối logic, một
số khác cung cấp ít kết nối hơn nên định tuyến phức tạp hơn
• Khối I/O khả trình.
I/O cung cấp giao tiếp giữa các khối logic và kiến trúc định tuyến đến các thành phần bên
ngoài. Một trong những vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế kiến trúc I/O là việc lựa chọn
các tiêu chuẩn điện áp cung cấp và điện áp tham chiếu sẽ được hỗ trợ.
Theo thời gian, các kiến trúc FPGA cơ bản đã được phát triển hơn nữa thông qua việc bổ
sung các khối chức năng đặc biệt có thể lập trình, như bộ nhớ trong (Block RAMs), logic
số học (ALU), bộ nhân, DSP-48 và thậm chí là bộ vi xử lý nhúng được thêm vào do nhu
cầu của các nguồn tài nguyên cho một ứng dụng. Kết quả là nhiều FPGA ngày nay có nhiều
nguồn tài nguyên hơn so với các FPGA trước đó.
- Ngôn ngữ mô tả phần cứng (Hardware Description Language).
Ngôn ngữ mô tả phần cứng bao gồm VHDL, Verilog, SystemC và Handle-C thường được
sử dụng để lập trình FPGA. VHDL và Verilog phát triển như là một chuẩn công nghiệp và
là hai ngôn ngữ phổ biến nhất hiện nay. Bản thân mình không thể khuyên bạn nên dùng
ngôn ngữ nào nhưng có một điều chắc chắn là Xilinx ISE và Altera Quartus đều hỗ trợ
VHDL và Verilog.
2.7.2 Card FPGA Cyclone II EP2C5T144
Card FPGA Cyclone II EP2C5T144 ở hình 2.13 sử dụng vi mạch FPGA của ALTERA
thiết kế cho các ứng dụng nhỏ. Card FPGA có nhiệm vụ thực hiện như mạch logic để đảo
xung (qua cổng NOT) và ghép xung ngắn mạch (qua cổng OR) cho các xung PWM tạo ra

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

22


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
từ card DSP nhằm đảm bảo tốc độ xử lý và thời gian của các xung chính xác. Card FPGA

được lập trình trên phần mềm Quartus II, đây là công cụ phần mềm phát triển của hãng
Altera, cung cấp môi trường thiết kế toàn diện cho các thiết kế SOPC (hệ thống trên 1 chip
khả trình - system on a programmable chip). Đây là phần mềm đóng gói tích hợp đầy đủ
phục vụ cho thiết kế logic với các linh kiện logic khả trình PLD, FPGA của Altera, gồm
các dòng APEX, Cyclone, FLEX, MAX, Stratix...

Hình 2.13: Card FPGA Cyclone II EP2C5T144
• Thông số
- Nguồn: 5VDC
- Hỗ trợ SOPC, NOISII development
- Thạch anh 50MHz có độ chính xác cao
- Tích hợp IC ổn áp
- 2 cổng nạp chương trình JTAG và AS
- RAM M4K: 26
- Các phần tử logic: 4,608
- Tổng số Bit RAM: 119,808
- Số chân I/O: 142

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

23


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 6
2.1 Tổng quan về nghịch lưu áp ...................................................................................... 6
2.1.1 Giới thiệu tổng quát: ........................................................................................... 6
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp................................................................................................. 6
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc ...................................... 7
2.1.3.1 Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) ........... 7

2.1.3.2 Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) ................... 8
2.1.3.3 Dạng ghép tầng (Cascade inverter) ............................................................. 9
2.2. Giới thiệu nghịch lưu ba pha nguồn Z ba pha NPC ............................................... 11
2.2.1 Giới thiệu nghịch lưu ba pha nguồn Z ba pha NPC ......................................... 11
2.2.2 Nguyên lý hoạt động ........................................................................................ 12
2.3 Giới thiệu về nghịch lưu nguồn Z ba pha NPC ....................................................... 12
2.3.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 12
2.3.2 Nguyên lí làm việc nghịch lưu nguồn Z ba pha NPC ...................................... 14
2.4 Các lỗi xảy ra trong cấu hình nghịch lưu ................................................................ 15
2.4.1 Các nguyên nhân phổ biến gây ra lỗi cho cấu hình nghịch lưu........................ 15
2.4.2 Lỗi ngắn mạch và hở mạch............................................................................... 16
2.4.3 Quy trình xử lý ................................................................................................. 16
2.5 Giới thiệu phần cứng ............................................................................................... 17
2.6 Tổng quan về card xử lí tín hiệu số TMS320F28335 .............................................. 17
2.6.1 Giới thiệu card DSP TMS320F28335 .............................................................. 17
2.7 Giới thiệu về card FPGA ......................................................................................... 20
2.7.1 Khái niệm FPGA .............................................................................................. 20
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

24