Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và khả năng chịu lỗi trong trường hợp bộ nghịch lưu ba bậc dạng t bị sự cố hở mạch

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

ĐINH PHI HOÀNG LONG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ
NĂNG CHỊU LỖI TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH
LƯU BA BẬC DẠNG T BỊ SỰ CỐ HỞ MẠCH
Chuyên ngành:
Mã số:

KỸ THUẬT ĐIỆN
60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.

HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc
sĩ)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
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

TRƯỞNG KHOA…………


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đinh Phi Hoàng Long

MSHV: 1670810

Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1987

Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỖI
TRONG TRƯỜNG HỢP BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T BỊ SỰ CỐ HỞ MẠCH
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
- Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
- Kỹ thuật điều chế điều chế vector không gian trong trường hợp sự cố hở mạch.
- Mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu.
-Thiết kế mơ hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T và thực nghiệm trên DSP
TMS320F28377S.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/01/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN


Tơi xin được gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tun sự kính trọng và lịng biết ơn sâu
sắc. Cảm ơn Thầy đã giảng dạy kiến thức và kinh nghiệm của mình cũng như cung cấp tài
liệu để tơi có thể hoàn thành luận văn này. Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi nghiên
cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học mới. Thật vinh dự
và tự hào khi được học tập và làm việc cùng Thầy trong suốt thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy, Cô trong PTN Nghiên cứu
Điện tử công suất, bộ môn Cung cấp điện, Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã nâng đỡ và dìu dắt, truyền đạt cho tơi những kiến
thức và kinh nghiệm q báu nhất trong suốt q trình tơi học tập ở trường.
Tôi cũng xin được cảm ơn sự giúp đỡ của anh chị em trong PTN Nghiên cứu điện
tử công suất – 115B1, các bạn cao học đã đồng hành, hỗ trợ, chia sẻ và giúp đỡ tơi hồn
thành luận văn này.
Cuối cùng và quan trọng nhất đối với tơi đó là gia đình tơi, là nguồn động lực, chổ
dựa vững chắc để tơi có thể vượt qua những khó khăn hạn chế của bản thân. Cám ơn bố,
mẹ đã hiểu, định hướng, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho con có thể theo
đuổi đam mê của mình.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

Đinh Phi Hoàng Long


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu phương pháp điều chế vector không
gian để điều khiển cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T đồng thời đưa ra phương pháp điều
chế trong trường hợp bị sự cố hở mạch.
Trong luận văn, bộ nghịch lưu ba bậc dạng T hoạt động trong tình trạng có sự cố
được phân tích và đề xuất kỹ thuật điều chế cho bộ nghịch lưu tiếp tục hoạt động khi xảy
ra sự cố hở mạch. Phương pháp điều chế được đề xuất thì đơn giản mà khơng cần tính

tốn phức tạp. Phương pháp này được phân tích, tính tốn và được kiểm chứng thơng qua
mơ phỏng và thực nghiệm.

Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài.
Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector khơng gian và sóng mang cho bộ nghịch lưu
ba bậc dạng T.
Chương 4: Phân tích bộ nghịch lưu ba cấp kiểu T trong lỗi khóa hở mạch.
Chương 5: Phương pháp điều khiển chiụ lỗi khi xảy ra lỗi hở mạch trên khóa.
Chương 6: Mơ phỏng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
Chương 7: Thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.


ABSTRACT
This thesis presents the space vector modulation for T-Type three-level inverter
uder normal and open-fault conditions.
The open-fault of T-Type three-level inverter is analyzed and the PWM method is
proposed to control the inverter even though the switch is fault. The proposed method is
simple based on the SVPWM for the conventional T-Type three-level inverter. First, the
theory analyses are considered. Hence, some simulation results are provided to verify the
theory. Finally, an experimental setup was built in laboratory and some experimental
results are shown to validate the simulation results.


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.

Tác giả luận văn

Đinh Phi Hoàng Long


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1.

Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1

1.2.

Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2

1.3.

Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 2

1.4.

Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................... 3

1.5.

Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 3

1.6.

Bố cục luận văn ......................................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T ........................................................ 4
2.1. Tổng quan về các bộ nghịch lưu ............................................................................... 4
2.1.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu ................................................................................... 4
2.1.2. Phân loại các bộ nghịch lưu ................................................................................... 4
2.2. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ..................................................................................... 9
2.2.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T .................................................................. 9
2.2.2. Trạng thái đóng ngắt ............................................................................................ 11
2.3. Nhận xét ............................................................................................................... 13
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ NGHỊCH
LƯU BA BẬC DẠNG T .................................................................................................... 14
3.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 14
3.1.1. Khái niệm về vector không gian và phép biến đổi vector không gian ................ 14
3.1.2. Vector không gian của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T: ......................................... 16
3.2.

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) ............................................. 20

3.3.

Nhận xét................................................................................................................... 31

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH BỘ NGHỊCH LƯU BA CẤP KIỂU T-TYPE TRONG LỖI
KHÓA HỞ MẠCH ............................................................................................................. 32
4.1.

Lỗi làm thay đổi dòng pha và điện áp đầu ra. ......................................................... 32

4.2.

Lỗi làm thay đổi điện áp điểm trung tính ................................................................ 36


4.3.

Phương pháp xác định các khóa hở mạch ............................................................... 39

CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỊU LỖI KHI XẢY RA LỖI HỞ
MẠCH TRÊN KHÓA CHUYỂN MẠCH ......................................................................... 41
5.

Phương pháp điều khiển chịu lỗi: ............................................................................... 41

5.1 Lỗi xảy ra trong các khóa nửa cầu (Sx1 và Sx4) ........................................................ 41
5.2 Lỗi xảy ra trong các khóa trung tính (Sx2 và Sx3) ...................................................... 58
CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T ................................ 66
6.1. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ................................................................................... 66
6.1.1. Sơ đồ mô phỏng ................................................................................................... 66
6.1.2. Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 69
6.2.

Nhận xét................................................................................................................... 77

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T ......................... 78
7.1.

Phương pháp thực nghiệm ....................................................................................... 78

7.2. Mơ hình thực nghiệm .............................................................................................. 78

7.2.1. Mạch nguồn DC ................................................................................................... 80
7.2.2. Mạch điều khiển .................................................................................................. 82
7.2.3. Mạch lái ............................................................................................................... 84
7.2.4. Mạch công suất .................................................................................................... 86
7.3. Thực nghiệm ............................................................................................................ 90
7.3.1. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ............................................................................... 90
7.4.

Nhận xét................................................................................................................... 96

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 98
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................................ 99


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC sáu bậc ........................................................... 5
Hình 2.2: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp ...................................................................... 6
Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc ...................................................................... 8
Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ........................................................... 9
Hình 3.1: Các vector khơng gian của bộ nghịch lưu ba bậc ......................................... 17
Hình 3.2: Vector khơng gian và trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc .......... 20



Hình 3.3: Hình vector m1 và m2 của Vref trong một tam giác đều lớn ....................... 22
Hình 3.4: Vector khơng gian và thời gian tồn tại của chúng ........................................ 24
Hình 3.5: Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của I-1 trong một chu kỳ đóng ngắt .. 29
Hình 3.6: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-2 trong một chu kỳ đóng ngắt
....................................................................................................................................... 30

Hình 3.7: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-3 trong một chu kỳ đóng ngắt
....................................................................................................................................... 30
Hình 3.8: Trạng thái đóng ngắt của các khóa trên của I-4 trong một chu kỳ đóng ngắt.
....................................................................................................................................... 31
Hình 4.1 Hướng của dịng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa1 lỗi . 33
Hình 4.2 Hướng của dịng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa2 lỗi . 34
Hình 4.3 Hướng của dịng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa3 lỗi . 35
Hình 4.4 Hướng của dịng điện ở điều kiện bình thường và trường hợp khóa Sa3 lỗi . 36
Hình 4.5 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp bình thường . ..................... 38
Hình 4.6 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa1. ...................... 38
Hình 4.7 cho ta thấy dịng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa2. ...................... 38
Hình 4.8 cho ta thấy dịng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa3. ...................... 39
Hình 4.9 cho ta thấy dòng 3 pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa4. ...................... 39
Hình 5.1 Sơ đồ vector khơng gian cho điều khiển chịu lỗi khi lỗi mở mạch xảy ra ở
Sx1 và Sx4 ..................................................................................................................... 41
Hình 5.2 Hình vector m1, m2 và Vref trong vùng 1 ..................................................... 42


Hình 5.2 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 1a trong một chu kỳ đóng ngắt .... 42
Hình 5.3 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 1b trong một chu kỳ đóng ngắt .... 43
Hình 5.4 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 2a trong một chu kỳ đóng ngắt .... 43
Hình 5.5 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 2b trong một chu kỳ đóng ngắt .... 44
Hình 5.6 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 3a trong một chu kỳ đóng ngắt .... 44
Hình 5.7 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 3b trong một chu kỳ đóng ngắt .... 45
Hình 5.8 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 4a trong một chu kỳ đóng ngắt .... 45
Hình 5.9 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 4b trong một chu kỳ đóng ngắt .... 46
Hình 5.10 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 5a trong một chu kỳ đóng ngắt .. 46
Hình 5.11 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 5b trong một chu kỳ đóng ngắt .. 47
Hình 5.12 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 6a trong một chu kỳ đóng ngắt .. 47
Hình 5.13 Trình tự đóng ngắt của các khóa trên của 6b trong một chu kỳ đóng ngắt .. 48

Hình 5.14 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 1a trong một chu kỳ đóng ngắt
(a) trước khi thêm Tmin (b) sau khi thêm Tmin ........................................................... 49
Hình 5.15 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt
(a) trước khi thêm Tmin (b) sau khi thêm Tmin ........................................................... 49
Hình 5.16 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng 2a trong một chu kỳ đóng ngắt
(a) khi trạng thái POO thay bằng OON (b) khi được sắp xếp lại trình tự ..................... 49
Hình 5.17 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 52
Hình 5.18 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 52
Hình 5.19 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 53
Hình 5.20 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 53
Hình 5.21 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 54


Hình 5.22 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 54
Hình 5.23 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 55
Hình 5.24 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 55
Hình 5.25 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 56
Hình 5.26 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 56
Hình 5.27 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 57

Hình 5.28 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi .......................................................................................... 57
Hình 5.29 Trình tự đóng ngắt của các khóa trong vùng I.1b trong một chu kỳ đóng
ngắt (a) trong điều kiện bình thường (b) sau khi thêm Tlow (c) sau khi được sắp xếp
lại ................................................................................................................................... 59
Hình 5.30 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 60
Hình 5.31 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 1b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 60
Hình 5.32 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 61
Hình 5.33 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 2b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 61
Hình 5.34 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 62
Hình 5.35 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 3b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 62


Hình 5.36 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 63
Hình 5.37 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 4b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 63
Hình 5.38 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 64
Hình 5.39 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 5b trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 64
Hình 5.40 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6a trong một chu kỳ đóng
ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 65
Hình 5.41 Trình tự đóng ngắt mới của các khóa trên vùng 6b trong một chu kỳ đóng

ngắt cho điều khiển chịu lỗi Sa2 ................................................................................... 65
Hình 6.1: Sơ đồ mơ phỏng bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ............................................. 67
Hình 6.2 Khối điều chế vector khơng gian ................................................................... 68
Hình 6.2: Sơ đồ khối Inverter ........................................................................................ 68
Hình 6.3: Sơ đồ khối Load ............................................................................................ 69
Hình 6.4: Điện áp dây, áp pha và dòng điện qua tải phương pháp SVPWM ............... 70
Hình 6.5 cho ta thấy dịng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa1....... 71
Hình 6.6 cho ta thấy dịng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa2........ 72
Hình 6.7 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa3........ 73
Hình 6.8 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong trường hợp lỗi khóa Sa4....... 74
Hình 6.9 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong điều khiển chịu lỗi khóa Sa1 và
Sa4. ................................................................................................................................ 75
Hình 6.10 cho ta thấy dòng, áp dây, áp pha ngõ ra trong điều khiển chịu lỗi khóa Sa2
và Sa3. ........................................................................................................................... 76
Hình 7.1: Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ................... 78
Hình 7.2: Mơ hình thực nghiệm bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ..................................... 79
Hình 7.3: Nguồn DC 15V ............................................................................................. 80
Hình 7.4: Máy biến áp ba pha 0 - 380V ........................................................................ 81


Hình 7.5: Mạch điều khiển sử dụng TMS320F28377S của hãng TI ............................ 83
Hình 7.6 Sơ đồ chân mạch LaunchpadXL-F28377S .................................................... 83
Hình 7.7: Sơ đồ khối của mạch lái ................................................................................ 85
Hình 7.8: Mạch lái thực tế ............................................................................................. 86
Hình 7.9: Sơ đồ bên trong FMG2G75US60 ................................................................. 87
Hình 7.10: Sơ đồ của SK60GM123 ............................................................................... 88
Hình 7.11: Mơ hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ........................................................ 89
Hình 7.12: Tải 3 pha R-L mắc Y ................................................................................... 90
Hình 7.13: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector khơng gian....................... 91
Hình 7.14: Lưu đồ giải thuật phương pháp điều chế vector không gian điều khiển chịu

lỗi ................................................................................................................................... 92
Hình 7.3: Điện áp dây VAB và dịng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector
không gian (10V/div, 5ms/div) ..................................................................................... 93
Hình 7.2: Điện áp pha VAO và dịng điện qua tải theo phương pháp điều chế vector
khơng gian (5V/div, 5ms/div) ....................................................................................... 93
Hình 7.3: Điện áp dây và dòng điện qua tải trường hợp xảy ra lỗi hở mạch Sa4
(5V/div, 5ms/div) .......................................................................................................... 94
Hình 7.4 Điện áp pha và dòng điện qua tải trường hợp xảy ra lỗi hở mạch Sa4 (5V/div,
20ms/div) ....................................................................................................................... 94
Hình 7.5: Điện áp dây VAB và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở
mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div)................................................................................. 95
Hình 7.20: Điện áp pha VAO và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở
mạch Sa1, Sa4 (20V/div,5ms/div)................................................................................. 95
Hình 7.21: Điện áp pha VAB và dòng điện qua tải trường hợp điều khiển chịu lỗi hở
mạch Sa2, Sa3 (20V/div,5ms/div)................................................................................. 96


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu ba bậc dạng T .................... 12
Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt và độ lớn của vector khơng gian ............................. 18


Bảng 3.2: Vị trí của Vref dựa vào góc lệch  ............................................................. 21

Bảng 3.3: Vị trí của Vref dựa vào m1 , m2 ................................................................. 23

Bảng 3.4: Thời gian tác dụng Ta,Tb,Tc của vector Vref trong vùng I ....................... 26
Bảng 3.5: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-1, II-1, III-1, IV-1, V-1, VI-1. ............... 27
Bảng 3.6: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-2, II-2, III-2, IV-2, V-2, VI-2. ............... 27
Bảng 3.7: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-3, II-3, III-3, IV-3, V-3, VI-3 ................ 28

Bảng 3.8: Trình tự đóng ngắt trong vùng I-4, II-4, III-4, IV-4, V-4, VI-4 ................ 28
Bảng 5.1: Trình tự đóng ngắt mới cho vùng 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a,
6b................................................................................................................................ 51
Bảng 6.1: Thông số mô phỏng ................................................................................... 66
Bảng 7.1: Thông số bộ nguồn DC ............................................................................. 80
Bảng 7.2: Thông số kỹ thuật FMG2G75US60 .......................................................... 87
Bảng 7.3: Thông số kỹ thuật của SK60GM123 ......................................................... 88
Bảng 7.4: Thông số thực nghiệm cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T ......................... 90


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả là một vấn đề quan trọng trong các

ứng dụng dải điện áp thấp như bộ nghịch lưu lưới quang điện, bộ PFC (Power Factor
Correction) và hệ thống nghịch lưu trên ô tô. Trong các ứng dụng này, tần số chuyển
mạch trung bình (10-25 kHz) được sử dụng để có các thành phần thụ động nhỏ và rẻ.
Hơn nữa, tần số chuyển đổi cũng có thể tăng lên trên 20 kHz để tránh nhiễu âm
thanh trong các ứng dụng dân dụng. Tuy nhiên, các tần số này dẫn đến tổn thất chuyển
mạch cao hơn và hiệu suất cũng thấp hơn. Để đáp ứng các yêu cầu về tần số chuyển mạch
trung bình và hiệu suất cao, bộ biến tần ba bậc loại T đã được phát triển.
Sự quan tâm đến độ tin cậy của các thiết bị điện tử công suất ngày càng tăng. Thiết
bị điện tử công suất là một trong những thành phần dễ bị tổn thương trong số các thành
phần của bộ chuyển đổi điện tử . Như các bài báo lỗi bán dẫn và hàn trong mô-đun thiết bị
chiếm tổng cộng 34% lỗi của hệ thống chuyển đổi. Theo một cuộc khảo sát dựa trên hơn
200 sản phẩm từ 80 công ty, khoảng 38% lỗi trong bộ chuyển đổi xảy ra do hư hỏng của
các thiết bị điện .
Nói chung, lỗi của thiết bị chuyển mạch có thể được phân thành hai trường hợp: một

lỗi ngắn mạch và một lỗi mạch hở. Một lỗi ngắn mạch có thể xảy ra do một số lý do như
sai cổng điện áp, quá áp, khóa tĩnh / khóa động , và nhiệt độ cao. Một lỗi ngắn mạch rất
khó xử lý vì một dịng điện quá bất thường, có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho các
bộ phận khác được tạo ra trong một thời gian rất ngắn.
Do đó, hầu hết các phương pháp phát hiện lỗi ngắn mạch và điều khiển khả năng
chịu lỗi được dựa trên các mạch phần cứng. Một lỗi mạch hở xảy ra do việc hở và nứt dây
liên kết trong các mô-đun IGBT do chu kỳ nhiệt. Lỗi cực gate cũng là một trong những
nguyên nhân phổ biến của lỗi hở mạch. Một lỗi hở mạch không gây ra thiệt hại nghiêm
trọng so với lỗi ngắn mạch, nhưng nó sẽ làm giảm hiệu suất hoạt động của hệ thống. Nó
dẫn đến biến dạng dịng và có thể gây ra các vấn đề thứ cấp trong các thành phần khác
1


thơng qua gây nhiễu và rung động. Do đó, các phương pháp phát hiện lỗi hở mạch và điều
khiển khả năng chịu lỗi là cần thiết trong các hệ thống điện tử cơng suất, đã có nhiều
nghiên cứu về độ tin cậy của các hệ thống chuyển đổi năng lượng [6]-[7]-[8] đã được tiến
hành đặc biệt cho việc phát hiện lỗi của các thiết bị chuyển mạch và điều khiển khả năng
chịu lỗi .
Do đó đề tài này phân tích hoạt động của bộ biến tần ba cấp T theo điều kiện lỗi
khóa hở mạch và trình bày các phương pháp phát hiện lỗi và các phương pháp kiểm soát
lỗi. Khóa bị lỗi có thể được xác định bằng mức trung bình của dịng điện chuẩn và sự thay
đổi của điện áp điểm trung tính. Phương pháp chịu lỗi đề xuất được giải thích bằng cách
chia thành hai trường hợp: khi lỗi khóa hở mạch xảy ra trong các khóa nửa cầu (Sx1 và
Sx4) và trong các khóa trung tính (Sx2 và Sx3).
Phương pháp được đề xuất có thể cải thiện độ tin cậy của các hệ thống điện nhỏ như
hệ thống nghịch lưu PV, bộ chỉnh lưu PFC và hệ thống truyền động điện. Kết quả mô
phỏng và thử nghiệm xác nhận tính khả thi và độ tin cậy của các phương pháp được đề
xuất.
1.2.

Mục tiêu đề tài

- Thiết kế bộ nghịch lưu ba bậc dạng T và nghiên cứu phương pháp điều chế vector không
gian để điều khiển bộ nghịch lưu.
- Sử dụng phương pháp điều chế để vector không gian để điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc
dạng T khi một nhánh của bộ nghịch lưu bị sự cố hở mạch.
1.3.

Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Gồm hai phần: mô phỏng và thực nghiệm
- Mô phỏng: Dùng các phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink để mô phỏng bộ
nghịch lưu ba bậc dạng T điều khiển tải ba pha RL bằng phương pháp điều chế vector
không gian và sử dụng phương pháp điều chế vector không gian để điều khiển bộ nghịch
lưu ba bậc dạng T khi một nhánh của bộ nghịch lưu bị sự cố hở mạch.
2


- Thực nghiệm: mục đích nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng thông qua mạch điều khiển
thực tế sử dụng Card DSP TMS320F28377S của hãng Ti với tải được sử dụng là tải ba
pha RL.
1.4.

Ý nghĩa khoa học

- Dựa vào giải thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
- Đề xuất phương pháp điều khiển để giải quyết vấn đề sự cố hở mạch một nhánh của bộ
nghịch lưu ba bậc dạng T.
- Thiết kế mơ hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các nghiên cứu về nghịch lưu.
1.5.

Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho việc phát triển và ứng dụng bộ nghịch lưu ba
bậc dạng T vào việc chế tạo biến tần trong thực tế.
1.6.

Bố cục luận văn

Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 7 chương
 Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài.
 Chương 2: Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
 Chương 3: Kỹ thuật điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T.
 Chương 4: Phân tích bộ nghịch lưu ba bậc dạng T trong trường hợp hở mạch
 Chương 5: Phương pháp kiểm soát chịu lỗi cho bộ nghịch lưu ba bậc dạng T trong
sự cố hở mạch.
 Chương 6: Thực hiện mô phỏng bộ nghịch lưu dạng T bằng phần mềm
MATLAB/Simulink.
 Chương 7: Thiết kế và tiến hành thực nghiệm bộ nghịch lưu dạng T.
 Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

3


CHƯƠNG 2: BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC DẠNG T
2.1.

Tổng quan về các bộ nghịch lưu

2.1.1. Giới thiệu về bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu có chức năng chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện áp một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện áp xoay chiều để cung cấp và điều khiển cho tải
xoay chiều ở ngõ ra [1]. Nguồn điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có thể là
pin, acquy hoặc nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc nhiễu.
Trong bộ nghịch lưu áp các linh kiện có khả năng kích đóng và kích ngắt dịng điện
qua nó, nên nó đóng vai trị như một khóa cơng tắc. Trong các ứng dụng cơng suất vừa và
nhỏ, ta có thể sử dụng các khóa bán dẫn là BJT, MOSFET, IGBT và ở phạm vi công suất
lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hay SCR kết hợp với bộ chuyển mạch.
Mỗi khóa trang bị một diode mắc đối song với nhau. Các diode mắc đối song tạo
thành mạch chỉnh lưu cầu khơng điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện
của các khóa. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho q
trình trao đổi cơng suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế q
điện áp phát sinh khi kích ngắt các khóa.
2.1.2. Phân loại các bộ nghịch lưu
Dựa vào sự khác nhau của bộ nghịch lưu.
 Theo điện áp đầu ra: ngõ ra là điện áp 1 pha và 3 pha.
 Theo bậc của bộ nghịch lưu: 3 bậc, 5 bậc, 7 bậc….
 Theo phương pháp điều khiển: phương pháp điều chế độ rộng xung, phương pháp
điều rộng xung cải biên, phương pháp vector khơng gian.
Các mơ hình của bộ nghịch lưu bao gồm: dạng diode kẹp NPC, dạng tụ điện thay đổi
(Flying Capacitor), dạng cascade cầu.

4


1. Bộ nghịch lưu dạng diode kẹp NPC

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC sáu bậc
Cấu tạo: Bộ nghịch lưu diode kẹp NPC được giới thiệu lần đầu bởi Nabae, Takahashi
và akagi vào năm 1981. Bộ nghịch lưu này sử dụng các diode kẹp giữa các cặp khố

kích đối nghịch với nhau, điện áp DC được tạo nên từ chỉnh lưu nguồn điện AC và
được phân chia thành các điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp với
nhau [1].
Ứng dụng: Do việc cân bằng điện áp giữa các tụ điện và điện áp ngược trên diode
khó khăn. Nên chỉ thơng dụng bộ nghịch lưu 3 bậc NPC.

5


Ưu điểm:
 Tất cả các pha chỉ cần sử dụng chung một nguồn DC duy nhất, nên có thể ứng
dụng thực tiễn.
 Đạt hiệu quả cao trong đóng ngắt tần số cơ bản.
Nhược điểm:
 Các tụ điện nạp xả thiếu chính xác làm sai lệch giá trị ở ngõ ra. Do vậy nên vấn
đề cân bằng điện áp trên các tụ điện cần được quan tâm.


Điện áp ngược đặt lên các diode không đồng đều (khi số bậc lớn hơn 3) dẫn đến
không khả thi khi tăng số bậc của biến tần đa bậc lên. Hiện nay có các kỹ thuật
mới như nối chuỗi các diode chịu áp ngược thấp hay thay đổi cấu hình để phù
hợp với mức chịu đựng của diode.

 Khi ta nâng số bậc, thì đồng thời số lượng tụ điện tăng ,số lượng diode tăng theo
làm mạch trở nên cồng kềnh và khó kiểm sốt.
2. Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp

Hình 2.2: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp

6

Cấu tạo: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp gồm các tụ điện ghép nối theo hình bậc
thang. Nó cũng giống như trong cấu hình bộ nghịch lưu NPC, việc thay đổi các trạng
thái đóng ngắt của các khố dẫn đến thay đổi các điện áp ở ngõ ra.
Ứng dụng: Bộ nghịch lưu dạng tụ điện kẹp cũng giống dạng diode kẹp được ứng
dụng khi chỉ dùng một nguồn DC.
Ưu điểm:
 Đa dạng các trạng thái đóng ngắt khố. Mức điện áp ở ngõ ra một pha có thể
được tạo ra nhờ nhiều tập hợp các trạng thái đóng ngắt của các khố khác nhau.
 Vì có nhiều trạng thái đóng ngắt khố nên có thể được sử dụng cho vấn đề cân
bằng tụ điện sao cho chỉ cần sử dụng một nguồn DC.
 Khi số bậc tăng cao thì không cần sử dụng nguồn lọc.
Nhược điểm:
 Số lượng tụ lớn dẫn đến tăng giá thành, và phức tạp trong việc kiểm soát nạp xả
các tụ với các điện áp cố định.
 Cần phải nạp tụ trước khi điều khiển nên khởi động ban đầu phức tạp. Do số
lượng tụ sử dụng nhiều cho cấu hình này nên cũng giống như cấu hình NPC khả
năng ứng dụng bậc cao (N>5) là kém khả thi.
3. Bộ nghịch lưu cầu H dạng cascade

7


Hình 2.3: Bộ nghịch lưu cascade chín bậc
Cấu tạo: Gồm các bộ nghịch lưu cầu H nối cascade với nhau, và các bộ này có nguồn
DC riêng
Ứng dụng: Bộ nghịch lưu cascade được thiết kế để phù hợp với những ứng dụng
trong nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới, hay những ứng dụng sử dụng
pin.Trong đó, một chuỗi các pin riêng lẽ với mức điện áp DC bằng nhau được kết nối

8


với các khố đóng ngắt IGBT theo cấu hình cầu H để tạo ra nguồn điện xoay chiều
với công suất lớn cung cấp cho dân dụng hay lưới điện .
Ưu điểm:
 Nó tạo ra số bậc điện áp lớn hơn gấp hơn hai lần số nguồn DC.
 Do hệ thống nghịch lưu được ghép từ các bộ nghịch lưu cầu H đơn giản nên
mạch dễ thi công thành các module nhỏ. Nên dễ dàng cho việc sản xuất ,thay thế
và kiểm tra .
Nhược điểm:
 Do yêu cầu các nguồn DC riêng biệt cho mỗi cầu H, do vậy làm giảm khả năng
ứng dụng thực tế khi chỉ có một nguồn DC ( cần các bộ biến áp cách li lớn đi
kèm trong thực tế dẫn đến cồng kềnh).
2.2. Bộ nghịch lưu ba bậc dạng T
2.2.1. Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

Hình 2.4: Cấu hình bộ nghịch lưu ba bậc dạng T

9


Cấu tạo
Dựa vào hình 2.4, bộ nghịch lưu ba bậc dạng T gồm:
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có độ lớn VDC được phân chia thành các
điện áp nhỏ hơn nhờ vào chuỗi hai tụ điện một chiều C1 và C2 mắc nối tiếp, giá trị điện
áp trên mỗi tụ là VDC1 và VDC2.
Khối công suất gồm ba nhánh A, B, C nối ra tải ba pha. Mỗi nhánh gồm có hai khóa cơng
suất như mạch chỉnh lưu ba pha hai bậc truyền thống. Để tăng số bậc điện áp ngõ ra, ba

khóa cơng suất hai chiều được sử dụng để nối ngõ ra ba pha vào điểm giữa của nguồn DC
[3].
Trong mỗi nhánh, hai khóa nối từ ngõ ra của tải đến cực dương và cực âm của nguồn một
chiều gọi là khóa trên, kí hiệu là SX1, SX4 và hai khóa cịn lại mắc nối tiếp với nhau và
ngược cực nhau gọi là khóa trung tính, ký hiệu là SX2, SX3, với X = a, b, c.
Ứng dụng
Ngày nay bộ nghịch lưu ba cấp loại T đã được thiết kế cho các hệ thống hiệu suất cao
trong các ứng dụng điện áp thấp như bộ nghịch lưu quang điện (PV), bộ chỉnh lưu điều
chỉnh hệ số công suất (PFC) và hệ thống nghịch lưu cho ô tô.
Ưu điểm
 Bộ nghịch lưu dạng T bao gồm hai IGBT nửa cầu và hai IGBT điểm trung tính.
Bộ nghịch lưu dạng T sử dụng một khóa để chặn điện áp DC đầy đủ trong nửa
cầu. Không giống như các khóa nửa cầu, các khóa điểm trung tính chỉ phải chặn
một nửa của điện áp DC liên kết. Do đó, có thể sử dụng IGBT có điện áp thấp
hơn.
 So với bộ nghịch lưu NPC sử dụng hai khóa ghép nối tiếp với nhau để chặn điện
áp DC đầy đủ thì bộ nghịch lưu dạng T sử dụng một khóa duy nhất để chặn điện
áp DC đầy đủ. Do đó, tổn thất dẫn truyền của bộ nghịch lưu dạng T được giảm
đáng kể so với bộ nghịch lưu NPC.
10