Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (18.01 MB, 108 trang )
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH
NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP
VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI
GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí
SVTH: Nguyễn Thái Duy
MSSV: 13141039
SVTH: Lê Minh Quý
MSSV: 13141266
Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MÔ HÌNH
NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP
VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI
GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí
SVTH: Nguyễn Thái Duy
MSSV: 13141039
SVTH: Lê Minh Quý
MSSV: 13141266
Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:
Nguyễn Thái Duy
Lê Minh Quý
Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
Đại học chính quy
2013
MSSV: 13141039
MSSV: 13141266
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
13141DT
I. TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Xây dựng mơ hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp.
- Giảm nguồn đầu vào và số lượng các phần tử LC trong mạng trở kháng trung gian.
- Bộ nghịch lưu có khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ.
2. Nội dung thực hiện:
- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây dựng mơ hình nghịch lưu
tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”.
- Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển.
- Viết chương trình điều khiển và xây dựng mơ hình chạy thực tế.
- Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đưa ra đánh giá.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
19/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Đỗ Đức Trí
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 19 tháng 03 năm 2018
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Thái Duy
Lớp: 13141DT2B
MSSV: 13141039
Họ tên sinh viên 2: Lê Minh Q
Lớp: 13141DT1A
MSSV: 13141266
Tên đề tài:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI.
Tuần/ngày
Nội dung
1
Nhận đề tài và tìm hiểu các tài liệu liên quan đến
đề tài.
2
Cài đặt, làm quen, sử dụng các phần mềm liên
quan đến việc thực hiện đồ án tốt nghiệp.
3
Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu giải thuật điều chế.
Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Psim.
4
Tiến hành vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, vẽ mạch in.
5
Thi công mạch in.
6
Hoàn thiện mạch in.
Nghiên cứu hoàn thiện giải thuật.
7
Thiết kế mơ hình hệ thống.
Hồn thiện các module.
8
Thực hiện thi cơng mơ hình hệ thống.
Tối ưu kích thước hệ thống.
9
Cho chạy mơ hình, kiểm tra khi hệ thống chạy
chưa ổn định, xuất hiện lỗi.
10
Tiếp tục chạy mơ hình, tìm và khắc phục lỗi khi
hệ thống chạy sai.
Xác nhận
GVHD
11
Tìm hiểu về giải thuật khắc phục sự cố khi hệ
thống bị sự cố.
Viết báo cáo.
12
Chạy thực nghiệm.
Viết báo cáo.
13
Viết báo cáo.
14
Viết báo cáo.
15
Viết báo cáo.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Đỗ Đức Trí
và có tính kế thừa từ những cơng trình trước đó của Phịng thí nghiệm Điện tử cơng suất
nâng cao - D405 trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Đề tài được nghiên cứu và
phát triển dựa trên các tài liệu, bài báo, tạp chí đã được cơng bố trên các phương tiện truyền
thông. Mọi tài liệu tham khảo đều được nhóm ghi nguồn đầy đủ trong phần phụ lục tài liệu
tham khảo của đề tài.
Nhóm thực hiện đề tài
Lê Minh Quý – Nguyễn Thái Duy
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy
Ths. Đỗ Đức Trí - người đã đã định hướng đề tài, tận tình giúp đỡ và sẵn sàng chia sẻ
những kinh nghiệm q báu của mình để chúng em kịp hồn thành đề tài tốt nghiệp trong
quãng thời gian ngắn ngủi này. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ nhiệt
tình của anh Vân, anh Trí, anh Bằng cùng các đồng nghiệp khác đã làm việc và nghiên
cứu tại phịng D405 – Phịng thí nghiệm Điện Tử Cơng Suất nâng cao. Đặc biệt không
thể thiếu bạn Vĩnh Thanh - một người bạn thơng minh, vui tính, khơng những hỗ trợ về
mặt nền tảng kiến thức mà còn về mặt tinh thần giúp nhóm vượt qua những lúc khó khăn,
mệt mỏi trong lúc làm việc. Sự đồng hành của tất cả mọi người trong suốt thời gian qua
là điều vô cùng quý giá, chúng em rất trân trọng điều đó và chắc chắn sẽ là một kỷ niệm
đáng nhớ cho quãng đời sinh viên của mình.
Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù nhóm đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến
đóng góp q báu từ thầy Trí nói riêng và các thầy cô giáo bộ môn khoa Điện – Điện tử
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung để nhóm thực hiện đề tài có thể
hồn thành bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này được tốt hơn. Mọi ý kiến đóng góp của q
thầy cơ là niềm động lực để nhóm tiếp tục cố gắng và phát huy hơn nữa trong tương lai.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Lê Minh Quý - Nguyễn Thái Duy
MỤC LỤC
Trang bìa .................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii
Lịch trình ................................................................................................................ iii
Cam đoan ................................................................................................................ iv
Lời cảm ơn ................................................................................................................ v
Mục lục .................................................................................................................... vi
Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... ix
Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xi
Tóm tắt ................................................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 7
1.3 Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 8
1.4 Giới hạn. .......................................................................................................... 8
1.5 Bố cục ............................................................................................................. 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 10
2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp ..................................................................... 10
2.1.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................... 10
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ........................................................................................ 10
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc .................................... 11
2.2 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T....................................................... 11
2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T ..................................................................... 11
2.2.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 12
2.3 Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .. 13
2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp .............................. 13
2.3.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 15
2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ................................................. 19
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................ 26
3.1 Giới thiệu....................................................................................................... 26
3.2 Sơ đồ khối hệ thống và chức năng các khối.................................................... 26
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 26
3.2.2 Chức năng của từng khối ............................................................................ 26
3.3 Giới thiệu thành phần linh kiện trong các khối ............................................... 27
3.3.1 Tổng quan về card xử lý tín hiệu số TMS320F28335 .................................. 27
3.3.2 Giới thiệu FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 29
3.3.3 Mạch kích ................................................................................................... 32
3.3.4 Mạch nguồn DC đầu vào............................................................................. 33
3.3.5 Mạch công suất ........................................................................................... 34
3.3.6 Mạch cảm biến............................................................................................ 35
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 39
4.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 39
4.2 Thi công hệ thống............................................................................................ 39
4.2.1 Thi công board mạch .................................................................................... 39
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 45
4.2.3 Hình ảnh các module đã thi cơng, lắp ráp ..................................................... 46
4.3 Hồn thiện mơ hình ......................................................................................... 48
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................ 48
4.3.2 Mơ hình đã thi cơng...................................................................................... 49
4.4 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 50
4.5 Lập trình mơ phỏng ......................................................................................... 52
4.5.1 Sơ đồ mơ phỏng ........................................................................................... 52
4.5.2 Hình ảnh mơ phỏng trên PSIM ..................................................................... 53
4.6 Quy trình và hướng dẫn thao tác ...................................................................... 56
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ _NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................ 58
5.1 Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 58
5.1.1 Dạng sóng xung kích cho các khóa IGBT ..................................................... 58
5.1.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu............................ 59
5.2 Đánh giá nhận xét............................................................................................ 62
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 65
6.1 Kết luận........................................................................................................... 65
6.1.1 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 65
6.1.2 Những vấn đề còn tồn đọng .......................................................................... 65
ii
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................
PHỤ LỤC ..........................................................................................................
iii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều ........ 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số ........... 2
Hình 1.3: Bộ nghịch lưu Z-Source ............................................................................. 3
Hình 1.4: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dịng ngõ vào liên tục .......................... 3
Hình 1.5: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC .......................................................... 4
Hình 1.6: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC .......................... 5
Hình 1.7: Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp ........................... 7
Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T .......................................................... 11
Hình 2.2: Chế độ dịng thụ động nghịch lưu hình T ................................................... 12
Hình 2.3: Chế độ dịng tích cực nghịch lưu hình T..................................................... 12
Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp ................................ 14
Hình 2.5: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .......... 15
Hình 2.6: Mạch điện tương đương 1 pha.................................................................... 15
Hình 2.7: Trạng thái +VDC ở trường hợp khơng ngắn mạch ....................................... 16
Hình 2.8: Trạng thái -VDC ở trường hợp khơng ngắn mạch ........................................ 17
Hình 2.9: Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp mức "không" ................................ 17
Hình 2.10: Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch ..................................... 18
Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát ......................................... 21
Hình 2.12: Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A ....................................... 21
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha ................................................... 26
Hình 3.2: Hình ảnh Kit DSP TMS320F28335............................................................ 28
Hình 3.3: Sơ đồ tổng quan các các khối của TMS320F28335 .................................... 29
Hình 3.4: Hình ảnh FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 31
Hình 3.5: Hình ảnh G1215S-1W................................................................................ 32
Hình 3.6: Sơ đồ và chức năng các chân của G1215S-1W........................................... 32
Hình 3.7: Hình ảnh opto TLP250............................................................................... 33
Hình 3.8: Sơ đồ khối tạo nguồn DC đầu vào .............................................................. 34
Hình 3.9: Hình ảnh IGBT FGL40N150D................................................................... 34
Hình 3.10: Hình ảnh cảm biến điện áp LV-20P ......................................................... 35
Hình 3.11: Sơ đồ mạch điện bên trong cảm biến điện áp LV-20P .............................. 35
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ............................................................... 36
Hình 3.13: Khối ngõ vào cảm biến ............................................................................ 36
Hình 3.14: Khối điều chỉnh mức khuếch đại của tín hiệu ........................................... 37
Hình 3.15: Khối cộng điện áp .................................................................................... 38
Hình 4.1: Sơ đồ khối module nguồn .......................................................................... 39
Hình 4.2: Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha .......................................................... 40
Hình 4.3: Sơ đồ ngun lý mạch kích ........................................................................ 40
Hình 4.4: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) ........................................................... 41
Hình 4.5: Mạch PCB mạch kích (mạch in lớp dưới) .................................................. 41
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp ............................................................ 42
Hình 4.7: Sơ đồ mạch in mạch cảm biến áp ............................................................... 42
Hình 4.8: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất ................................................................ 43
Hình 4.9: Mạch tăng áp LC với IGBT ....................................................................... 43
Hình 4.10: Mạch cơng suất hình T ............................................................................. 44
Hình 4.11: Nhánh hình T ........................................................................................... 44
Hình 4.12: Module khối nguồn .................................................................................. 46
Hình 4.13: Module mạch kích ................................................................................... 47
Hình 4.14: Mơ hình mạch cơng suất .......................................................................... 47
Hình 4.15: Mơ hình mạch tăng áp bằng LC ............................................................... 48
Hình 4.16: Mơ hình mạch cảm biến áp ...................................................................... 48
Hình 4.17: Mơ hình hồn chỉnh ................................................................................. 49
Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật tổng quát ...................................................................... 50
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A ....................................... 51
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch mơ phỏng trên PSIM ............................................ 52
Hình 4.21: Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha ................................................... 52
Hình 4.22: Sơ đồ khối tạo xung ngắn mạch trên PSIM .............................................. 53
Hình 4.23: Xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3 ............................................................ 53
Hình 4.24: Xung kích cho khóa Sb1-Sb2-Sb3............................................................ 53
Hình 4.25: Xung kích cho khóa Sc1-Sc2-Sc3 ............................................................ 54
Hình 4.26: Xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1 ............................................................ 54
Hình 4.27: Dạng sóng điện áp pha ............................................................................. 55
Hình 4.28: Dạng sóng điện áp dây ............................................................................. 55
Hình 4.29: Dạng sóng điện áp cực ............................................................................. 55
Hình 4.30: Dạng dịng điện ngõ ra ............................................................................. 56
Hình 4.31: Quy trình và hướng dẫn thao tác .............................................................. 57
ii
Hình 5.1: Dạng sóng xung kích cho SA1-SA2-SA3-Short giữa thực nghiệm và
mơ phỏng ................................................................................................... 58
Hình 5.2: Dạng sóng xung kích cho SA1-SB1-SC1 giữa thực nghiệm và mơ phỏng .. 59
Hình 5.3: Dạng sóng điện áp cực (Van) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 59
Hình 5.4: Dạng sóng điện áp pha (Vph) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 60
Hình 5.5: Dạng sóng điện áp dây (Vab) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 60
Hình 5.6: Dạng sóng điện áp trên tải R (Vr) trước lỗi và sau lỗi ................................ 60
Hình 5.7: Dạng sóng dịng điện qua tải trước lỗi và sau lỗi ........................................ 61
Hình 5.8: Tổng độ méo hài (THD) của dịng điện trước lỗi và sau lỗi ........................ 61
Hình 5.9: Dạng sóng điện áp trên tụ C1, C2 trước lỗi và sau lỗi................................. 62
Hình 5.10: Dạng sóng dịng điện qua cuộn dây L trước lỗi và sau lỗi ........................ 62
iii
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 4.1: Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch ................................................. 44
Bảng 5.1: Các thông số được sử dụng trong bộ nghịch lưu 3 pha ................................. 63
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, các tấm pin năng lượng mặt trời dần được sử dụng rộng
rãi, các tuabin năng lượng gió cũng bắt đầu được sử dụng phổ biến hơn ở các tỉnh thành
Việt Nam. Việc sử dụng các bộ nghịch lưu là rất cần thiết để tận dụng các nguồn năng
lượng sạch này nhằm phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của mọi nhà, qua đó
sẽ giảm được đáng kể chi phí điện năng tiêu thụ về lâu dài.
Đề tài thực hiện xây dựng mơ hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp điều
khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất
kỳ. Mơ hình được thực hiện dựa trên việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP
TMS320F28335 kết hợp với vi mạch FPGA để lập trình tạo ra các xung kích đóng, mở
các IGBT tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho tải. Phương pháp nghiên cứu chính của
đề tài dựa trên những yếu tố sau:
-
Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã cơng bố.
-
Có tính kế thừa những phần cứng đã thiết kế từ các cơng trình nghiên cứu trước đó
của phịng thí nghiệm và từ đó tiếp tục đào sâu nghiên cứu để phát triển thêm các
tính năng mới.
-
Dựa vào lý thuyết tiến hành mô phỏng bằng phần mềm và xây dựng mơ hình chạy
thực tế.
-
Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đánh giá.
Việc mơ phỏng cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc mới đã được thực hiện trên
phần mềm Psim, và để kiểm tra lại các kết quả này thì một mơ hình thử nghiệm đã được
nhóm thực hiện đề tài xây dựng tại phịng thí nghiệm. Quá trình thực nghiệm bộ nghịch
lưu cũng đã được tiến hành ở cả hai điều kiện hoạt động của mạch: điều kiện hoạt động
bình thường và trong điều kiện gặp sự cố mất pha A.
Các dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu quan sát được từ thực nghiệm có
hình dạng giống với lý thuyết mơ phỏng khi hoạt động trong cả hai điều kiện bình thường
và xảy ra sự cố. Về mặt biên độ thì có sự sai lệch tương đối khi so với lý thuyết, điều này
có thể chấp nhận được vì các linh kiện ngồi thực tế khơng thể đạt được các trạng thái và
thông số lý tưởng như trong lý thuyết mô phỏng. Ngồi ra, nhiễu tác động đến các xung
kích cũng làm cho IGBT phát nóng làm giảm hiệu suất làm việc của linh kiện, qua đó ảnh
hưởng đến kết quả thực nghiệm.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1.
1.1
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nền sản xuất công nghiệp phát triển, kéo theo nhiều tác động xấu đến môi
trường. Cụ thể, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề được mọi người đặc biệt
quan tâm trong những năm gần đây. Đã có nhiều cuộc tranh cãi nảy lửa giữa người
dân với các nhà máy sản xuất công nghiệp xảy ra tại nước ta với tần suất xuất hiện
trên các báo đài, mạng xã hội ngày càng tăng. Nguyên nhân chủ yếu của các vụ việc
này liên quan tới vấn đề các cơng ty, xí nghiệp sản xuất đã xả trực tiếp các chất thải
độc hại chưa qua xử lý ra môi trường. Để giảm thiểu tình trạng này, nhiều quốc gia
trên thế giới trong đó có Việt Nam đang hướng đến mục tiêu sử dụng năng lượng
sạch sẵn có từ thiên nhiên như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… để giảm thiểu
tình trạng ơ nhiễm môi trường.
Một bộ phận không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất năng lượng sạch này
là các bộ nghịch lưu (Inverters). Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các bộ nghịch lưu
đang là một yêu cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu
quả hơn song cũng góp phần giảm thiểu chi phí lắp đặt để có thể phổ biến rộng rãi
hơn việc sử dụng nguồn năng lượng này đến với cộng đồng.
Các bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường (VSI) vẫn còn tồn tại một số hạn chế
nhất định [1-2]. Cụ thể như:
-
Không chịu được sự cố ngắn mạch trên cùng một nhánh nghịch lưu dẫn tới hư
hỏng linh kiện chuyển mạch (IGBT).
-
Hoạt động như một bộ chuyển đổi nguồn bậc thấp, điện áp xoay chiều ngõ ra
luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp cho ngõ vào. Do đó, trong
một hệ thống năng lượng tái tạo, để có được một điện áp AC đạt u cầu thì
một bộ chuyển đổi điện áp một chiều (DC-DC converter) sẽ được ghép tầng
với VSI như hình 1.1 hoặc một máy biến áp xoay chiều được lắp đặt đằng sau
VSI như hình 1.2. Tuy nhiên, với nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng sẽ
làm giảm hiệu suất của hệ thống, trong khi đó việc lắp đặt máy biến áp lại làm
tăng kích thước, trọng lượng và giá thành của cả hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Khối nguồn
DC
Bộ tăng áp
DC-DC
150-300VDC
Bộ nghịch lưu
DC-AC
400VDC
Tải
220VAC
Hình 1.1. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều.
Khối nguồn
DC
Bộ nghịch lưu
DC-AC
150-300VDC
Máy biến áp
50Hz
110VAC
Tải
220VAC
Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số.
Sớm nhận ra được những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống, việc nghiên
cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu đã được thực hiện một cách liên tục mỗi
ngày bởi các chuyên gia hàng đầu và các kỹ sư điện giàu kinh nghiệm trên toàn thế
giới nhằm hướng tới mục tiêu cải thiện chất lượng điện năng ngày một tốt hơn, đồng
thời giảm chi phí lắp đặt và tăng hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Cụ
thể, số lượng các bài báo về các cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố ngày càng
nhiều bởi các tạp chí nổi tiếng về điện – điện tử như IEEE, IET... Điều đó chứng tỏ
rằng việc nghiên cứu về các bộ nghịch lưu cho các hệ thống điện năng lượng tái tạo
là đúng hướng và ngày càng được mọi người quan tâm nhiều hơn trong những năm
gần đây.
Tình hình nghiên cứu ngồi nước:
Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất cho phép tăng điện áp
DC ngõ vào qua đó tăng áp xoay chiều ngõ ra chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng
là một bước tiến khá lớn cho lĩnh vực này [3-4]. Mạng trở kháng trung gian của bộ
nghịch lưu nguồn Z (ZSI) này bao gồm hai cuộn cảm có thơng số bằng nhau, hai tụ
thơng số bằng nhau và một diode. Đối với bộ nghịch lưu truyền thống, chỉ có hai
trạng thái hoạt động là trạng thái ngắn mạch và trạng thái trạng thái active. Trong khi
đó bộ ZSI tận dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp DC ngõ vào, qua đó cải
thiện độ tin cậy cho bộ nghịch lưu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
L1
Sa1
C1
C2
Vg
Sb1
Sc1
A
B
C
Sa2
Sb2
Tải AC
D1
Sc2
L2
Hình 1.3. Bộ nghịch lưu Z-Source.
Cho đến nay đã có rất nhiều các cấu hình liên quan được công bố như: Novel Zsource, Quasi Z-source…là các cải tiến từ nghịch lưu nguồn Z.
Năm 2008, một biến thể cải tiến từ ZSI là Quasi-Z-Source (qZSI) đã được đề
xuất [5]. Bộ qZSI này cũng tương tự như ZSI nhưng có một số ưu điểm như: giảm
nguồn đặt vào, giảm trị số của các linh kiện, giảm số lượng phần tử thụ động, đơn
giản hóa phương pháp điều khiển và đặc biệt là cải thiện dòng điện ngõ vào được liên
tục – một hạn chế còn tồn tại của cấu hình ZSI trước đó.
C1
D1
L2
Sa1
Vg
Sb1
Sc1
A
B
C2
C
Sa2
Sb2
Tải AC
L1
Sc2
Hình 1.4. Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dịng ngõ vào liên tục.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Các bộ nghịch lưu trong giai đoạn này hầu hết là nghịch lưu bậc thấp, không
phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sử dụng điện năng với chất lượng ngày càng cao
nên các bộ qZSI nhiều bậc đã được nghiên cứu để đáp ứng kịp thời cho nhu cầu này.
Năm 2014, một cấu hình qZSI NPC 3 bậc đã được đề xuất trong bài báo [6] của tạp
chí IEEE. Mạng trở kháng trung gian của qZSI NPC 3 bậc sử dụng hai mạng lưới trở
kháng của qZSI theo dạng đối xứng như hình 1.5 với bốn cuộn cảm, bốn tụ điện và
hai diode. Bộ qZSI NPC 3 bậc này cũng có chế độ tăng áp chỉ qua một chặng biến
đổi năng lượng nhưng cung cấp được điện áp ngõ ra AC ba bậc. Tuy nhiên, việc tăng
gấp đôi số lượng các linh kiện thụ động công suất lớn ở mạng trở kháng trung gian
như vậy sẽ làm tăng kích thước, chi phí lắp đặt của cả hệ thống và cũng không phù
hợp với các ứng dụng sử dụng cơng suất vừa và nhỏ.
C1
L1
D1
L2
Sa1
Sb1
Sc1
Vg
Da1
Sa2
Db1
Sb2
Dc1
Sc2
A
B
Vg
C3
Da2
Sa3
Sa4
L3
Db2
Sb3
Sb4
C
Dc2
Tải AC
C2
Sc3
Sc4
L4
D4
C4
Hình 1.5. Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC.
Vào năm 2016, bài báo [7] “A three level LC-Switching Based Voltage Boost
NPC Inverter” được công bố bởi tổ chức IEEE với nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha 3
bậc NPC diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC. Bộ nghịch lưu này vừa có thể tăng
được điện áp đầu vào vừa sử dụng tương đối ít các linh kiện thụ động trong mạng trở
kháng trung gian bởi sự trợ giúp của một linh kiện chuyển mạch tích cực bổ sung, do
đó tạm thời giải quyết được vấn đề về kích thước và trọng lượng của các bộ nghịch
lưu đa bậc trước đó.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
D1
Vg
Sa1
C1
S1
Da1
D2
Sb1
Sa2
Db1
Sc1
Sb2
Dc1
Sc2
A
Vg
B
D3
Da2
S2
C2
Sa3
Db2
Sa4
Sb3
Sb4
C
Dc2
Tải AC
L1
Sc3
Sc4
L2
D4
Hình 1.6. Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC.
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc hình T vẫn cịn
là một hướng nghiên cứu mới.
Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình
T tăng áp bằng chuyển mạch LC thực hiện trong đồ án là ThS. Đỗ Đức Trí - Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Cụ thể, trong năm 2017, bài báo về
cơng trình nghiên cứu nghịch lưu hình T “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type
Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification” của thầy đã được tổ chức IEEE
thông qua và cho phát hành đến các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới.
Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại phịng “Thí nghiệm Điện tử cơng suất nâng
cao” - D405. Phịng thí nghiệm đã và đang đi sâu vào nghiên cứu và phân tích các
cấu hình và các giải thuật về nghịch lưu hình T tăng áp.
Chưa dừng lại ở đó, một minh chứng cho tình hình nghiên cứu về các bộ nghịch
lưu vẫn đang tiếp tục phát triển, bài báo [8] “Fault tolerant three-level boost inverter
with reduced source and LC count” cũng vừa được tạp chí IET Power Electronics
phát hành trong năm 2017 vừa qua. Trong bài báo, một cấu hình nghịch lưu mới đã
được đề xuất với việc tiếp tục giảm bớt một cuộn cảm ở mạng trở kháng trung gian
và giảm thêm 6 diode nữa khi so với mạch nghịch lưu NPC trước đó. Ngồi việc giảm
đáng kể số lượng các linh kiện thụ động, bộ nghịch lưu này cịn có thể chịu được lỗi
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
trong các trường hợp như: lỗi ngắn mạch, lỗi mạch hở bằng cách thực hiện một kỹ
thuật điều chế PWM đặc biệt.
Bộ nghịch lưu trong đề tài mà nhóm đang nghiên cứu được thực hiện dựa trên
bài báo “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count”.
Với hai IGBT ở nhánh hình T đã được nhóm thực hiện đề tài thay thế bằng cấu hình
gồm một IGBT kẹp bởi cầu Diode để cách ly điểm trung tính với dịng tải ngõ ra được
tốt hơn. Khi so với bộ nghịch lưu ba pha ba bậc truyền thống, bộ nghịch lưu cải tiến
này có các đặc tính nổi trội hơn như:
Có khả năng tăng áp DC đầu vào, qua đó giảm số lượng nguồn pin hay ắcquy ngõ vào, giảm chi phí lắp đặt.
Chỉ qua một chặng chuyển đổi năng lượng DC-AC nên có hiệu suất chuyển
đổi cao. Kích thước và trọng lượng của hệ thống được giảm đi đáng kể.
Giảm điện áp và dòng đặt lên các linh kiện chuyển mạch IBGT.
Sử dụng ít linh kiện thụ động hơn trong mạng trở kháng trung gian giữa nguồn
DC ngõ vào và nhánh nghịch lưu.
Cách ly điểm trung tính với dịng tải ngõ ra tốt hơn.
Chịu được lỗi ngắn mạch do có sự hiện diện của mạng trở kháng trung gian
giữa nguồn đầu vào và nhánh nghịch lưu. Lỗi mạch hở cũng có thể giải quyết
bằng cách thay đổi kỹ thuật điều chế.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
L1
D1
C1
S1
Sa1
Sb1
Sc1
A
Sa3
Vdc
B
Sb3
G
D3
C
Sc3
S2
C2
Tải AC
D2
Sa2
Sb2
Sc2
D4
Hình 1.7. Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp.
1.2
MỤC TIÊU
Mục tiêu tạo ra bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp có ngõ ra điện áp được cải
thiện hơn về độ gợn sóng và tần số ổn định hơn.
Dựa trên cấu hình tham khảo từ bài báo “Fault tolerant three-level boost inverter
with reduced source and LC count”. nhóm tiến hành cải tiến các linh kiện chuyển
mạch ở nhánh hình T của bộ nghịch lưu ba pha ba bậc hình T tăng áp thành cầu diode
kẹp để cách ly điểm trung tính với dịng tải ngõ ra tốt hơn. Cấu hình nghịch lưu mới
này cũng loại bỏ bớt ba IGBT trên nhánh hình T cũng giúp giảm được số lượng linh
kiện trên mạch kích kèm theo. Ngồi ra việc điều khiển chỉ một IGBT thay vì hai trên
mỗi nhánh T cũng sẽ đơn giản hơn.
Bộ nghịch lưu sử dụng một nguồn 𝑉 , mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch
lưu này bao gồm một cuộn cảm, hai tụ điện, bốn diode, hai linh kiện chuyển mạch
tích cực và sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển các linh
kiện chuyển mạch. Trong đó, Card DSP TMS320F28355 được lập trình để tạo xung
ngõ ra cho mạch kích hoạt động đồng thời sử dụng board mạch FPGA Cyclone II
EP2C5T144C8 để thực hiện các thuật tốn logic.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG 1: Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây
dựng mơ hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng
chịu lỗi”.
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều
khiển.
NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
NỘI DUNG 4: Xây dựng mơ hình.
NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả mơ phỏng và thực nghiệm
NỘI DUNG 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án.
1.4
GIỚI HẠN
Nghịch lưu ba pha ba bậc dạng hình T tăng áp.
Chỉ thực hiện sửa lỗi cho trường hợp một nhánh nghịch lưu của pha bất kỳ bị
lỗi mất pha.
Điện áp cực ngõ ra đỉnh là ±100 VAC.
Đây là đề tài mới nên tài liệu nghiên cứu bị hạn chế và mang tính tham khảo,
đa số là tài liệu nước ngồi cần có thời gian nghiên cứu và tìm hiểu.
Đề tài chỉ xây dựng mơ hình với mục đích kiểm chứng giữa lý thuyết và thực
tế.
Đề tài được thực hiện với sự trợ giúp phần lớn các linh kiện, trang thiết bị sẵn
có của phịng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao của trường ĐH Sư phạm
kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh.
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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 3: Xây dựng hệ thống.
Đưa ra phương án thực hiện, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã
được học.
Chương 4: Thi cơng mơ hình.
Làm khung mơ hình, gia cơng mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Trình bày kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm 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, phụ lục.
Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiên đồ án tốt ngiệp.
Hướng dẫn sử dụng phần mềm CCS và Quartus II.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2.
2.1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
2.1.1 Giới thiệu tổng quát
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng điện một
chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay
chiều hoạt động.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và
nguồn cho bộ nghịch lưu dịng có tính chất là dịng 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 khơng giống nhau,
ví dụ như bộ nghịch lưu tạo ra 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 hay còn được gọi
là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ khơng đồng bộ,
lị cảm ứng), dịng điện qua các linh kiện khơng thể ngắt bằng q trình chuyển mạch
tự nhiên. Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện đóng ngắt để có thể điều khiển
q trình ngắt dịng 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), dịng 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 như
điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu có
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH
10
