Điều khiển cân bằng điện áp tụ trong nghịch lưu 3 pha 4 nhánh npc, ứng dụng trong điều khiển bộ nguồn hiện đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MINH CHÁNH

ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG
NGHỊCH LƯU 3 PHA 4 NHÁNH NPC , ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN ĐẠI
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ
Ký tên:
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Lê Minh Phương
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Võ Công Phương
Ký tên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: TS. Nguyễn Đức Thành …

2. Thư ký: TS. Nguyễn Trọng Tài……..
3. Phản biện 1: PGS.TS. Lê Minh Phương……
4. Phản biện 2: TS. Võ Công Phương…………
5. Ủy viên: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng……..
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Nguyễn Đức Thành

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TS.Đỗ Hồng Tuấn


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH CHÁNH
Ngày, tháng, năm sinh: 03/05/1987

Nơi sinh: TP HỒ CHÍ MINH

Chun ngành: Tự động hóa

I.

Phái: NAM

MSHV: 12153172

Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG NGHỊCH LƢU 3
PHA 4 NHÁNH NPC, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN HIỆN
ĐẠI

II.

Nhiệm vụ đề tài:
+ Thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây
NPC sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa bậc. Nhờ đó tạo đƣợc chất lƣợng
ngõ ra tốt, giảm đƣợc tổn hao đóng ngắt so với các mơ hình khác.
+ Giải quyết các vấn đề liên quan khi sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa
bậc: Vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ trong cấu trúc nghịch lƣu đa
bậc NPC với tải 3 pha khơng cân bằng bất kì.
+ Nâng cao giải thuật trong việc tối ƣu đóng ngắt trong các trƣờng hợp
nhƣ: Cân bằng tuyệt đối điện áp tụ, tối ƣu tổn hao đóng ngắt trên linh
kiện…
+ Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng các
giải thuật đã đƣợc lựa chọn.
+ Thiết kế mơ hình thực nghiệm. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế hệ
thống cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lƣu: Đáp ứng của linh kiện
bán dẫn sử dụng trong mơ hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm

việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính toán và cập nhật các giá trị hồi
tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn).
+ Thử nghiệm mơ hình với các giải thuật điều khiển ổn định đã xây
dựng. Giải quyết các vần đề liên quan phát sinh trong quá trình thử
nghiệm.
+ Trên cơ sở so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu đƣợc,
đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác của việc điều khiển cân bằng áp
tụ trong bộ nghịch lƣu NPC từ đó ứng dụng các giải thuật điều khiển vào
bộ nghịch lƣu có cấu trúc nghịch lƣu đa bậc.
+ Xây dựng lý thuyết điều khiển nguồn bằng phƣơng pháp khuếch đại
cộng hƣởng ( proportional control ) và các giải pháp nhằm làm tăng chát
lƣợng ngõ ra, giảm các sóng hài bậc cao
+ Thiết kế mơ hình thực nghiệm bộ nguồn tần số sử dụng giải thuật
P_resonant control. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế bộ nguồn tần số,
nhƣ đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mơ hình, đáp ứng của
các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính tốn
và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn).
+ Xây dựng thực nghiệm :
1. Cân bằng áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC với dòng điện tải từ
2-4A , sai số điện áp trên tụ dƣới 2%.
2. Điều khiển bộ nguồn dùng phƣơng pháp P_resonant với dòng điện
2A, THD dƣới 5%.
+ Thử nghiệm mơ hình thực tế với giải thuật điều khiển lựa chọn và đánh
giá kết quả thu đƣợc, từ đó rút ra các kết luận, ƣu nhƣợc điểm và hƣớng
phát triển của đề tài.


III.
IV.
V.

Ngày giao nhiệm vụ: 20/01/2014
Ngày hoàn thành nhiệm vụ:21/11/2014
Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi đến PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ lời cảm ơn sâu sắc.
Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu để hƣớng dẫn em trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu, đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể
vƣợt qua những khoảng thời gian khó khăn nhất và hồn thành tốt luận văn này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, anh chị, và các bạn
cùng công tác và học tập tại Phịng Thí Nghiệm Hệ Thống Năng Lƣợng (Khoa
Điện-Điện Tử - Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. HCM), đã giúp đỡ và đồng
hành cùng em trong suốt thời gian em học tập và thực hiện luận văn tại đây.
Trong suốt thời gian học tập tại trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.
HCM, em cũng đã đƣợc các thầy cô Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là các thầy
cô Bộ môn Điều khiển tự động, giảng dạy, chỉ bảo cho em những bài học và

nhiều kiến thức bổ ích. Bên cạnh đó, các bạn học cùng lớp cũng đã ln bên
cạnh, giúp đỡ, cùng em hồn thành tốt chƣơng trình học tập. Em xin gửi lời cảm
ơn đến tất cả các thầy cô và các bạn.
Sau cùng, nhƣng không kém phần quan trọng, con xin cám ơn Cha Mẹ
và các anh chị em trong gia đình đã ln động viên, giúp đỡ, và tạo điều kiện
thuận lợi giúp con vƣợt qua những khó khăn trong suốt q trình học tập và
nghiên cứu này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 11 năm 2014

Nguyễn Minh Chánh
1


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Biế n tầ n đa bâ ̣c NPC nói chung và biến tần

3 bậc NPC nói riêng là thiế t bi ̣

biế n đổ i điê ̣n năng có vai trò quan tro ̣ng trong các lĩnh vƣ̣c ƣ́ng du ̣ng khác nhau
nhƣ biế n đổ i điê ̣n cơ , giao thông vâ ̣n tải , quản lý chất lƣợng hệ thống điện , chuyể n
đổ i các da ̣ng năng lƣơ ̣ng tái ta ̣o nhƣ năng lƣơ ̣ng mă ̣t trời, năng lƣơ ̣ng gió …
Một thƣ̣c tế đáng quan tâm là trong quá trin
̀ h hoa ̣t đô ̣ng , viê ̣c đóng ngắt các
khóa bán dẫn của các pha vào mạch DC khác nhau dẫn đến sự na ̣p và xả điê ̣n t ích

khác nhau của dịng điện vào các tụ điện mắc phía mạch một chiều đã gây ra sự
chênh lê ̣ch điê ̣n áp trên các tu ̣ điê ̣n , hình thành trạng thái không cân bằng điện áp
giữa các tu ̣ điện
Với việc cân bằng áp tụ sẽ tạo tiền đề quan trọng cho bộ điều khiển nguồn sử
dụng kĩ thuật điều khiển hiện đại. Điểm khác biệt đáng lƣu ý giữa bộ nguồn sử
dụng kĩ thuật điều khiển hiện đại nhƣ khuếch đại cộng hƣởng (Proportional
Resonant Control) là tối ƣu trong việc kiểm soát THD của bộ nguồn ở giá trị thấp.
Trong giới hạn là Luận văn Thạc sĩ, đề tài sẽ tập trung tìm hiểu cấu trúc của
mạch nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC cũng nhƣ các phƣơng pháp điều khiển nó. Từ
đó, tìm ra hƣớng phát triển phù hợp để điều khiển cân bằng điện áp tụ trong mạch
nghịch lƣu đa bậc 3 pha 4 dây.
Đề tài cũng sẽ tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển cho bộ nguồn dựa
trên bộ điều khiển khuếch đại cộng hƣởng , nhằm tạo đƣợc chất lƣợng điện áp ngõ
ra nhƣ mong muốn. Các phƣơng pháp nhằm cải thiện, nâng cao chất lƣợng cân
bằng điện áp tụ, điện áp ngõ ra khi sử dụng bộ nghịch lƣu đa bậc trong việc thiết kế
bộ nguồn hiện đại cũng đƣợc đề cập trong Luận văn.
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mơ hình mơ
phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài.

2


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Mơ hình thực nghiệm đƣợc xây dựng sử dụng card điều khiển DSP
TMS320F28335 và các cảm biến áp, biến dòng của hãng LEM . Linh kiện công
suất là các IGBT và mạch lọc LRC , tải thử nghiệm sẽ là tải tuyến tính RL , tải phi

tuyến chỉnh lƣu cầu 3 pha RL

3


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều
do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép từ bất kỳ một tài liệu
hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tơi khơng thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm trƣớc kỷ luật của nhà trƣờng cũng nhƣ pháp luật Nhà nƣớc.

Nguyễn Minh Chánh

4


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................. 2
LỜI CAM KẾT ........................................................................................................... 4
MỤC LỤC .................................................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 14
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN .................................................................................... 15
1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................ 15
1.2 Mục tiêu đề tài ................................................................................................. 18
1.3 Phạm vi đề tài .................................................................................................. 19
CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC MẠCH NGHỊCH LƢU 3 PHA 4 NHÁNH NPC .............. 21
2.1

Cấu trúc mạch nghịch lƣu 3 pha 4 nhánh NPC ............................................. 21

2.2

Mạch công suất ............................................................................................ 23

2.2.1 Mạch chỉnh lƣu ......................................................................................... 23
2.2.2 Mạch nghịch lƣu ....................................................................................... 24
2.2.3 Bộ lọc ....................................................................................................... 29
2.3 Mơ hình hóa bộ nguồn ..................................................................................... 33
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH GIẢI THUẬT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ TRONG MẠCH
NGHỊCH LƢU 3 PHA 4 DÂY NPC ......................................................................... 34
3.1 Giải tích hàm dịng điện chuyển mạch 2 bậc ( 2 Level ) .................................. 34
3.1.1.Giải tích hàm dòng điện vùng 1 (max – min < 1) ...................................... 35
5

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

3.1.2.Giải tích hàm dịng điện vùng 2 (max-min>1; mid1-min<1) ..................... 38
3.1.3.Giải tích hàm dịng điện vùng 3 (mid1-min>1;mid2-min<1) ..................... 42
3.1.4.Giải tích hàm dịng điện vùng 4 (mid2-min>1) .......................................... 44
3.2 Kĩ thuật lựa chọn hàm offset trong chuyển mạch 2 bậc ................................... 45
3.3 Phân tích dịng trung tính và lựa chọn hàm offset trong chuyển mạch 3 bậc ( 3
level ) .................................................................................................................... 49
CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT CÂN BẰNG TỤ ĐIỀU KHIỂN BỘ
NGUỒN HIỆN ĐẠI .................................................................................................. 56
4.1 Bộ điều khiển Resonant ....................................................................................... 56
4.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển Resonant controller ............................................ 56
4.1.2 Điều khiển vịng kín một vịng hồi tiếp ..................................................... 62
CHƢƠNG 5 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG .................................................................... 78
5.1 Mô phỏng giải thuật cân bằng tụ ...................................................................... 78
5.1.1 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc ................................... 83
5.1.2 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc giảm tần số đóng ngắt 89
5.1.3 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 3 bậc dựa theo dòng pha
Mid1,Mid2......................................................................................................... 91
5.1.4 Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 3 bậc dựa theo dòng pha
Max,Min ............................................................................................................ 99
5.1.5 Tổng Kết về các giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc và 3 bậc
: ....................................................................................................................... 103
5.2 Mô phỏng ứng dụng bộ điều khiển khuếch đại cộng hƣởng ( proportional
resonant ) trong điều khiển bộ nguồn hiện đại ...................................................... 104
5.2.1 Trƣờng hợp 1 : Tải tuyến tính 3 pha cân bằng ........................................ 105
6

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

5.2.2 Trƣờng hợp 2 : Tải tuyến tính 3 pha khơng cân bằng .............................. 108
5.2.3 Trƣờng hợp 3 : Tải phi tuyến : ................................................................ 110
5.2.4 : Kết luận về phạm vi điều khiển khuếch đại cộng hƣởng ........................ 112
CHƢƠNG 6 THỰC NGHIỆM ................................................................................ 114
6.1 Mạch công suất .............................................................................................. 115
6.1.1 Bộ nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC .............................................................. 115
6.1.2 Các mạch phụ trợ (bao gồm cả mạch lọc) ................................................ 116
6.2 Mạch điều khiển và đo lƣờng ......................................................................... 117
6.2.1 Cảm biến dòng áp ................................................................................... 118
6.2.2 Mạch lái IGBT& DSP TMS320F28335 .................................................. 119
6.3 Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 120
6.3.1 Kết quả thực nghiệm cân bằng áp tụ ........................................................ 120
6.3.2 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Resonant .......................................... 129
CHƢƠNG 7 KẾT LUẬN ........................................................................................ 137
7.1 Các kết quả đã đạt đƣợc ................................................................................. 137
7.2 Hƣớng phát triển của đề tài ............................................................................ 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 139
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................... 141
Q TRÌNH ĐÀO TẠO......................................................................................... 141
Q TRÌNH CƠNG TÁC ...................................................................................... 141

7

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1:

Nghịch lưu 3 pha 3 nhánh 4 dây ............................................................. 16

Hình 1.2:

Nghịch lưu 3 pha 4 nhánh 4 dây ............................................................. 17

Hình 2.1:

Cấu trúc tổng quan hệ thống nghịch lưu đa bậc dùng làm bộ nguồn ...... 22

Hình 2.2:

Mơ hình nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC .................................................... 23

Hình 2.3:

Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha kết hợp với biến áp ........................................... 23

Hình 2.4:

Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC .......................................... 24

Hình 2.5:

Cấu trúc mạch nghịch NPC ................................................................... 25

Hình 2.6:

Phân loại các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ............................ 27

Hình 2.7:

Phương pháp sóng mang điều khiển bộ nghịch lưu 3 bậc NPC .............. 28

Hình 2.8:

Bộ lọc thơng thấp LC ............................................................................. 29

Hình 2.9:

Mơ hình liên tục của bộ nguồn 1 pha ..................................................... 33

Hình 3.1:

Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC để giải tích hàm dịng điện .............. 35

Hình 3.2:

Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp dòng INP = 0 .................. 46

Hình 3.3:

Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp INP ít bị ảnh hưởng nhất . 47

Hình 3.4:

Giải thuật cân bằng tụ dựa theo phương pháp giảm tần số đóng ngắt.... 48

Hình 3.5:

Chuyển mạch 3 bậc PWM trong nghịch lưu 3 bậc NPC ......................... 50

Hình 3.6:

Lưu đồ điều khiển dịng trung tình INP dựa trên dịng Imid1 và Imid2 ......... 53

Hình 3.7:

Lưu đồ điều khiển dịng trung tình INP dựa trên dịng Imax và Imin ............ 55

Hình 4.1:

Phổ tần số của một dạng tín hiệu ........................................................... 56

Hình 4.2:

Điều khiển tín hiệu tham chiếu DC và AC .............................................. 58

Hình 4.3:

Giản đổ Bode của điều khiển PI C(s) = 10 + 1/s, và P_resonant C(s) =

1+ 2π50s/(s2+(2π50)2) ............................................................................................... 59
8


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Hình 4.4:

Kết nối tải 3 pha và hệ thống nguồn 3 pha , 4 dây.................................. 61

Hình 4.5:

Hệ thống điều khiển vịng kín dùng bộ điều khiền Resonant ................... 62

Hình 4.6:

Điều khiển vịng đơn bộ khảo sát trên 1 pha .......................................... 63

Hình 4.7:

Root Locus của hệ thống vịng kín dùng bộ điều khiển Resonant. ........... 66

Hình 4.8:

Mơ hình Matlab bộ điều khiển Resonant vịng đơn................................. 66

Hình 4.9:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương) ứng

với Krv=50 .............................................................................................................. 67
Hình 4.10:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Krv=100 ........................................................................................................ 67
Hình 4.11:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Krv=210 ........................................................................................................ 68
Hình 4.12:

Root Locus của hệ thống vịng kín dùng PR với Kpv=0.1.................... 70

Hình 4.13:

Root Locus của hệ thống vịng kín dùng PR với Kpv=0.5 ..................... 70

Hình 4.14:

Root Locus của hệ thống vịng kín dùng bộ điều khiển PR với Kpv=2 .. 71

Hình 4.15:

Mơ hình mơ phỏng Matlab bộ điều khiển Resonant có khâu tỉ lệ P ..... 72

Hình 4.16:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Kpv=0.1 và Krv=100 ...................................................................................... 72
Hình 4.17:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Kpv=0.1 và Krv=210 ..................................................................................... 73
Hình 4.18:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Kpv=0.5 và Krv=50 ........................................................................................ 74
Hình 4.19:

Tín hiệu đầu vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (màu xanh dương)

ứng với Kpv=2 và Krv=0 ............................................................................................. 75
Hình 4.20:

Biểu đồ Bode của hàm truyền bộ lọc rLC theo Bảng 4.1 ..................... 76
9


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Hình 5.1:

Mơ phỏng chuyển mạch 2 bậc 3 pha 4 dây NPC .................................... 79

Hình 5.2:

Mơ hình mơ phỏng phần cơng suất trên Matlab/Simulink ...................... 80

Hình 5.3:

Mơ hình 16 IGBT của mạch 3 pha 4 dây NPC ....................................... 81

Hình 5.4:

Mơ hình tải của mạch 3 pha 4 dây NPC ................................................ 82

Hình 5.5:

Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc_ giải thuật 1.......... 84

Hình 5.6:

Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dịng tải ( hình dưới ) ..................... 85

Hình 5.7:

Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ Vc1-Vc2 ( hình dưới ) 85

Hình 5.8:

Giá trị dịng trung tính I_NP .................................................................. 86

Hình 5.9:

Điện áp nghịch lưu của pha A ................................................................ 86

Hình 5.10:

Giá trị hàm offset và giới hạn offset max & offset min ........................ 87

Hình 5.11:

Điện áp trên 2 tụ Vc1 và Vc2 .............................................................. 88

Hình 5.12:

Sai lệch điện áp trên 2 tụ Vc1 - Vc2 .................................................... 88

Hình 5.13:

Giải thuật cân bằng tụ dựa trên chuyển mạch 2 bậc_ giải thuật 2 ...... 89

Hình 5.14:

Điện áp nghịch lưu của 1 pha dựa trên giải thuật 1 m =0.5 ................ 90

Hình 5.15:

Điện áp nghịch lưu của 1 pha dựa trên giải thuật 2 m =0.5 ................ 90

Hình 5.16:

Giá trị hàm offset khi m =0.3 .............................................................. 91

Hình 5.17:

Giá trị hàm offset khi m =0.6 .............................................................. 91

Hình 5.18:

Giá trị hàm offset khi m =0.9 .............................................................. 91

Hình 5.19:

Giải thuật cân bằng tụ chuyển mạch 3 bậc dựa vào dịng Imid1,Imid2 92

Hình 5.20:

Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dịng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều

chế m = 0.5

........................................................................................................... 93

Hình 5.21:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 0.5 .......................................................................................... 93
10


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Hình 5.22:

Áp nghịch lưu của 4 pha Max,Mid1,Mid2,Min .................................... 94

Hình 5.23:

Dịng trung tính Inp ............................................................................ 94

Hình 5.24:

Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dịng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều

chế m = 0.8

........................................................................................................... 95

Hình 5.25:

Áp nghịch lưu của 4 pha Max,Mid1,Mid2,Min .................................... 95

Hình 5.26:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 0.8 .......................................................................................... 96
Hình 5.27:

Dịng trung tính Inp ............................................................................ 96

Hình 5.28:

Điện áp tham chiếu ( hình trên ) và dịng tải ( hình dưới ) Khi tỉ số điều

chế m = 1

........................................................................................................... 97

Hình 5.29:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 1............................................................................................. 98
Hình 5.30:

Dịng trung tính Inp ............................................................................ 98

Hình 5.31:

Điện áp pha A sau khi cộng hàm offset ............................................... 99

Hình 5.32:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 0.5 ........................................................................................ 100
Hình 5.33:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 0.8 ........................................................................................ 101
Hình 5.34:

Điện áp trên 2 tụ (hình trên) và sai lệch điện áp trên 2 tụ ( hình dưới )

Khi tỉ số điều chế m = 1........................................................................................... 101
Hình 5.35:

Điện áp pha A sau khi cộng hàm offset ............................................. 102

Hình 5.36:

Áp nghịch lưu của 4 pha Max,Mid1,Mid2,Min .................................. 103

Hình 5.37:

Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC ................................................... 104

Hình 5.38:

Sơ đồ khối mơ phỏng của matlab ...................................................... 105
11

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Hình 5.39:

Điện áp tải 3 pha .............................................................................. 106

Hình 5.40:

Điện áp tải pha A tham chiếu ( xanh dương ) – thực tế ( xanh lá cây ) ....
......................................................................................................... 106

Hình 5.41:

THD Điện áp tải pha A ..................................................................... 107

Hình 5.42:

Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ ( hình dưới ) ......... 107

Hình 5.43:

Dịng tải 3 pha .................................................................................. 108

Hình 5.44:

Điện áp tải pha A tham chiếu ( xanh dương ) – thực tế ( xanh lá cây ) ....
......................................................................................................... 108

Hình 5.45:

THD Điện áp tải pha A ..................................................................... 109

Hình 5.46:

Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ ( hình dưới ) ......... 109

Hình 5.47:

Dịng tải 3 pha .................................................................................. 110

Hình 5.48:

Điện áp tải pha A tham chiếu ( xanh dương ) – thực tế ( xanh lá cây ) ....
......................................................................................................... 110

Hình 5.49:

THD Điện áp tải pha A ..................................................................... 111

Hình 5.50:

Điện áp 2 tụ ( hình trên ) và sai lệch điện áp 2 tụ ( hình dưới ) ......... 111

Hình 5.51:

Dịng tải 3 pha .................................................................................. 112

Hình 6.1:

Mơ hình thực nghiệm ........................................................................... 114

Hình 6.2:

Mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây NPC sử dụng 16 IGBT .......................... 115

Hình 6.3:

Mạch tạo điện áp DC Bus .................................................................... 116

Hình 6.4:

Mạch lọc RLC của bộ nguồn ................................................................ 117

Hình 6.5:

2 cảm biến áp LV20-P đo điện áp trên 2 tụ .......................................... 118

Hình 6.6:

4 Cảm biến dòng LA-25NP dòng tải qua mạch lọc ............................... 118

Hình 6.7:

3 Cảm biến áp LV20-P đo áp tải ngõ ra ............................................... 119
12

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

Hình 6.8:

Mạch lái IGBT 16 xung & vi xử lý DSP TMS320F28335 ..................... 119

Hình 6.9:

Sơ đồ mạch thực nghiệm cân bằng điện áp tụ ...................................... 120

Hình 6.10:

Điện áp tụ bị lệch khi chưa thực hiện giải thuật cân bằng ................ 121

13


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu NPC 3 bậc .................................... 25
Bảng 4.1: Thông số tham khảo bộ nguồn ................................................................... 65

Bảng 5.1: Thơng số mơ hình mơ phỏng ..................................................................... 78
Bảng 5.2: So sánh các kết quả mô phỏng khi thay đổi tỉ số điều chế .......................... 87
Bảng 5.3: So sánh các kết quả mô phỏng chuyển mạch 3 bậc (3 Level) –giải thuật Mid
.................................................................................................................................. 99
Bảng 5.4: So sánh các kết quả mô phỏng chuyển mạch 3 bậc (3 Level) –giải thuật
Max_Min ................................................................................................................ 102
Bảng 5.5: Bảng thông số của mạch lọc .................................................................... 104
Bảng 6.1: Thông số thực nghiệm cân bằng điện áp tụ .............................................. 120
Bảng 6.2: Sai lệch điện áp tụ (Vdc1,Vdc2) & điện áp nghịch lƣu ............................ 122
Bảng 6.3: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 15.2 => I = 1.2(A) ......................... 123
Bảng 6.4: Sai lệch điện áp tụ (Vdc1,Vdc2) & điện áp nghịch lƣu ............................ 124
Bảng 6.5: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 19 => I = 1.42(A) .......................... 125
Bảng 6.5: Sai lệch điện áp tụ (Vdc1,Vdc2) & điện áp nghịch lƣu ............................ 126
Bảng 6.6: Dòng tải 4 pha R=13.3ohm , Vrms = 25.8 => I = 1.94(A) ....................... 127
Bảng 6.7: Tổng kết điện áp sai lệch tụ trong các trƣờng hợp .................................... 128
Bảng 6.8: Thông số mơ hình chạy thực nghiệm ....................................................... 129
Bảng 6.9: Kết Quả Trƣờng hợp không điều khiển PR – chỉ cân bằng tụ................... 130
Bảng 6.10: Kết Quả Điều khiển PR – Không Tải ( No Load ).................................. 131
Bảng 6.11: Kết Quả Điều khiển PR – Tải tuyến tính ( Linear Load ) ....................... 132
Bảng 6.12: Kết Quả Điều khiển PR – Tải phi tuyến ( NonLinear Load ) .................. 133
14


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề

Biến tần đa bậc NPC đã ra đời từ rất lâu , trải qua nhiều giai đoạn phát triển
và có nhiều ứng dụng trong thực tiển
Hai kỹ thuâ ̣t điề u khiể n biế n tầ n đa bâ ̣c thƣờng đƣơ ̣c quan tâm là kỹ thuâ ̣t
điề u chế vectơ không gian và kỹ thuâ ̣t điề u chế sóng mang dƣ̣a vào hàm offset .
Khả năng khai thác hàm offset trong tín hiệu điều khiển

có thể làm tăng

cƣờng tiń h xác lâ ̣p và các tin
́ h chấ t điê ̣n của thiế t bi ̣nhƣ pha ̣m vi điề u khiể n điê ̣n áp
(và dịng điện ) tớ i đa , khả năng giảm tổn hao nhiệt phát sinh trong thiết bị

, khả

năng giảm bớt các nhiễu do sóng hài gây ra.
Sƣ̣ mấ t cân bằ ng quá mƣ́c cho phép của điê ̣n áp gi

ữa các tu ̣ đi ện của b ộ

nghịch lƣu áp có thể gây ra hi ện tƣợng quá áp trên các linh kiê ̣n công suấ t và các tu ̣
điện, gây ra các sóng hài bâ ̣c cao ngồi ý muốn ở phía tải nhƣ hài bâ ̣c 3,5,7... gây ra
các tác hại trực tiếp trên tải động cơ , làm giảm khả năng kiểm soát điện áp nghịch
lƣu và dòng điê ̣n bù lo ̣c cho ma ̣ch lo ̣c tić h cƣ̣c .
Việc duy trì cân bằ ng điê ̣n áp gi ữa các tu ̣ đi ện sẽ kiể m soát chấ t lƣơ ̣ng ngõ
vào của bộ nghịch lƣu áp đa bậc NPC và đảm bảo chất lƣợng ngõ ra về độ méo
dạng THD , cho phép thiế t kế b ộ nghịch lƣu áp với dung lƣơ ̣ng tu ̣ nhỏ nhấ t , giảm
stress điê ̣n áp cho linh kiê ̣n.
Trong hệ thống mạch 3 pha , 4 dây NPC , vấn đề cân bằng áp tụ hiện nay
trong nƣớc vẫn chƣa có nhiều nguồn thơng tin về lĩnh vực này để tiếp cận. Bên
cạnh đó, trên thế giới các cơng trình nghiên cứu về đề tài này vẫn đang ở trong q

trình mơ phỏng, chƣa đƣợc thực nghiệm .
Trong nhiều bài báo nghiên cứu hệ thống nghịch lƣu 3 pha 4 dây, mạch NPC
đƣợc ứng dụng ở dạng 3 nhánh NPC [4-5], trong đó dây trung tính của tải sẽ mắc
vào điểm trung tính NP của bộ nghịch lƣu và điều khiển hệ thống đƣợc kết hợp với
điều khiển cân bằng điện áp tụ nhƣ (hình 1.1). Giải pháp này có ƣu điểm là giảm
15


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

bớt 1 nhánh NPC. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cho thấy, do không kiểm soát
nhánh thứ 4 nên chất lƣợng của cấu trúc này bị hạn chế, đặc biệt cho các ứng dụng
có kiểm sốt dịng điện nhánh thứ 4.

Hình 1.1:

Nghịch lưu 3 pha 3 nhánh 4 dây

Hệ thống 3 pha, 4 dây 4 nhánh (hình 1.2) cho phép khắc phục đƣợc các nhƣợc
điểm trên và đã đƣợc phát triển cho hệ thống nghịch lƣu 4 nhánh 3 bậc [6]-[8]. Để
có thể tận dụng ƣu điểm của hệ thống nghịch lƣu 4 nhánh cho trƣờng hợp nghịch
lƣu 3 bậc NPC cần phải giải quyết bài toán cân bằng điện áp các tụ DC.
Hiện nay, chƣa có nhiều cơng bố về việc giải quyết này
Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật mới để giải quyết điều khiển nghịch lƣu áp 3 pha
4 dây 4 nhánh dạng NPC có điều khiển cân bằng điện áp các tụ.

16

LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

1

+

Sa1

Sb1

Sa2
A

Sb2

Sc1

Sd1

VC1

ia

VDC
0

iNP

Sa3

Sc2

B
Sb3

C
Sc3

Sd2
D
Sd3

A
ib
ic

id

VC2
Sa4
-

Nguyễn Minh Chánh

Sb4

Sc4

B
C

LOAD

N

Sd4

-1

Hình 1.2:

Nghịch lưu 3 pha 4 nhánh 4 dây

Phƣơng pháp mới giúp kiể m soát cân bằ ng điê ̣n áp gi ữa 2 tụ điện trong ma ̣ch
một chiều của bộ nghịch lƣu áp 3 bâ ̣c NPC s ử dụng nguyên lý phân ly hàm offset ,
đó là kỹ thu ật chuyển mạch 2 bậc (two-level modulation), chuyển mạch 3 bậc
(three-level modulation) để đạt dịng trung tính u cầu (Neutral Point Current)
Cấu trúc này thƣờng gặp đƣợc xây dựng dựa trên bộ nghịch lƣu 3 bậc. Cấu
trúc này tuy tốn nhiều linh kiện bán dẫn nhƣng đòi hỏi tầm chịu đựng của các linh
kiện này khơng cao về dịng và áp, đồng thời tổn hao trong q trình đóng ngắt
khơng lớn. Thiết kế này đòi hỏi một số lƣợng linh kiện bán dẫn phù hợp, làm tăng
độ tin cậy và ổn định giá thành của thiết kế so với các thiết kế dựa trên nghịch lƣu 2
bậc hoặc 5 bậc, 7 bậc...
Với những cấu trúc trên, giải thuật điều khiển đƣợc lựa chọn thƣờng là các
giải thuật giải tích các hàm dịng điện trong các vùng, điều khiển P, PI, Nơron,
Mờ… Sai lệch điện áp tụ bằng việc điều khiển các dòng điện chạy qua các pha dựa
trên giái tích dịng điện nói trên.

Ngồi ra giải thuật còn đề cập đến các vấn đề tối ƣu tổn hao đóng ngắt trong
linh kiện khi hoạt động ở điện áp lớn và dịng điện cao.
Mơ hình điều khiển cân bằng điện áp tụ nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC với cấu
trúc là bộ nghịch lƣu đa bậc vẫn chƣa đƣợc đề cập, nghiên cứu nhiều trong ứng
17


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

Nguyễn Minh Chánh

dụng bộ nghịch lƣu, dù nghịch lƣu đa bậc có nhiều lợi điểm về linh kiện bán dẫn,
ít tổn hao trong q trình đóng ngắt cũng nhƣ khả năng tƣơng tác giữa các thành
phần trong mô hình. Các giải thuật điều khiển vẫn chƣa đƣợc áp dụng cho mơ hình
này.
Với các kết quả đạt đƣợc sau khi cân bằng điện áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha
4 nhánh NPC, giải thuật điều khiển bộ nguồn đƣợc lựa chọn thƣờng là các giải
thuật đơn giản nhƣ điều khiển hồi tiếp dòng áp nhƣ, điều khiển P, PI. Một số
nghiên cứu chuyên sâu hơn tập trung vào bộ điều khiển cộng hƣởng (resonant
controller) nhƣ trong [10] [11] [12]. Tuy nhiên, việc sử dụng các phƣơng pháp điều
khiển này cũng không thể loại bỏ các hạn chế mà việc sử dụng các cấu trúc nghịch
lƣu nêu trên mắc phải.
Vì thế, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch
lƣu 3 bậc – 3pha, 4 dây NPC. Từ đó áp dụng cho bộ điều khiển nguồn sử dụng
phƣơng pháp khuếch đại công hƣởng (Proportional resonant control)

1.2 Mục tiêu đề tài
-

Thiết kế hệ thống cân bằng điện áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC

sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa bậc. Nhờ đó tạo đƣợc chất lƣợng ngõ ra tốt,
giảm đƣợc tổn hao đóng ngắt so với các mơ hình khác.
-

Giải quyết các vấn đề liên quan khi sử dụng cấu trúc nghịch lƣu đa bậc:

Vấn đề cân bằng điện áp trên các tụ trong cấu trúc nghịch lƣu đa bậc NPC với
tải 3 pha khơng cân bằng bất kì.
-

Nâng cao giải thuật trong việc tối ƣu đóng ngắt trong các trƣờng hợp

nhƣ: Cân bằng tuyệt đối điện áp tụ, tối ƣu tổn hao đóng ngắt trên linh kiện…
-

Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng các giải

thuật đã đƣợc lựa chọn.

18


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

-

Nguyễn Minh Chánh

Thiết kế mơ hình thực nghiệm. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế hệ

thống cân bằng điện áp tụ trong bộ nghịch lƣu: Đáp ứng của linh kiện bán dẫn
sử dụng trong mơ hình, đáp ứng của các mạch điện tử khi làm việc ở tần số cao,
thời gian cho phép tính tốn và cập nhật các giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy
mẫu ngắn).
-

Thử nghiệm mơ hình với các giải thuật điều khiển ổn định đã xây dựng.

Giải quyết các vần đề liên quan phát sinh trong quá trình thử nghiệm.
-

Trên cơ sở so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm thu đƣợc,

đánh giá tính hiệu quả và độ chính xác của việc điều khiển cân bằng áp tụ trong
bộ nghịch lƣu NPC từ đó ứng dụng các giải thuật điều khiển vào bộ nghịch lƣu
có cấu trúc nghịch lƣu đa bậc.
-

Thiết kế mơ hình thực nghiệm bộ nguồn tần số sử dụng giải thuật

P_resonant control. Giải quyết các vấn đề trong thiết kế bộ nguồn tần số, nhƣ
đáp ứng của linh kiện bán dẫn sử dụng trong mơ hình, đáp ứng của các mạch
điện tử khi làm việc ở tần số cao, thời gian cho phép tính tốn và cập nhật các
giá trị hồi tiếp ngắn (chu kì lấy mẫu ngắn).
1.3 Phạm vi đề tài
-

Tìm hiểu cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc NPC 3 pha 4 dây. Thiết kế bộ điều
khiển cân bằng điện áp tụ với tải bất kỉ .

-

Dựa trên kết quả cân bằng điện áp tụ , thiết kế lọc công suất cho bộ nghịch
lƣu để có đƣợc điện áp ngõ ra True-Sine.

-

Xây dựng giải thuật điều khiển bộ nguồn 50hz dựa trên bộ điều khiển
khuếch đại – cộng hƣởng (Proportional Resonant Controller).

-

Mô phỏng các giải thuật cân bằng tụ đã đƣợc đề cập trong lý thuyết ở trên
sử dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks.

-

Mô phỏng bộ nguồn 50hz với các giải thuật điều khiển đã xây dựng, sử
dụng phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks.
19


LV ThS.: Điều khiển cân bằng tụ trong mạch nghịch lưu
3 pha 4 nhánh NPC, ứng dụng điều khiển bộ nguồn hiện đại

-

Nguyễn Minh Chánh

Xây dựng thực nghiệm :
1. Cân bằng áp tụ trong nghịch lƣu 3 pha 4 dây NPC với cơng suất khoảng
1KW, dịng điện tải từ 2-4A , sai số điện áp trên tụ dƣới 2%.
2. Điều khiển bộ nguồn dùng phƣơng pháp P_resonant với dòng điện 2A,
THD dƣới 5%.

-

Thử nghiệm mơ hình thực tế với giải thuật điều khiển lựa chọn và đánh giá
kết quả thu đƣợc, từ đó rút ra các kết luận, ƣu nhƣợc điểm và hƣớng phát
triển của đề tài.

20