Luận văn Giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H giảm số lần chuyển mạch (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Giải thuật nghịch lưu 3 pha 5 bậc NPC cầu H giảm số lần chuyển mạch (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 5 1 8 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI MINH ẨN GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: TS. QUÁCH THANH HẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
4. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Bùi Minh Ẩn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1982 Nơi sinh: Long An Quê quán: Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Ấp 1 xã Mỹ Phú huyện Thủ Thừa Tỉnh Long An. Điện thoại cơ quan: 0723 827 694 Di động: 0914 710 677 Fax: 0773 827 694 Email: buiminhan2009@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐẢO TẠO: Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Trình độ: Kỹ sƣ Ngành học: Điện công nghiệp III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 05/2006 Trƣờng Trung cấp nghề Cần Giuộc Giáo viên giảng dạy đến 5/2014 tại khoa Điện Từ 6/2014 Trƣờng Cao đẳng nghề Long An Giáo viên giảng dạy đến nay tại khoa Điện – Điện tử HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang i
5. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 05 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Bùi Minh Ẩn HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang ii
6. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Quách Thanh Hải, Ths. Đỗ Đức Trí, đã tận tình hƣớng dẫn tôi để thực hiện luận văn. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho tôi. Xin cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D405 trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cảm ơn ba mẹ, anh chị em, vợ và bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian học. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn. Học viên Bùi Minh Ẩn HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang iii
7. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset nhằm giảm số lần chuyển mạch từ đó giảm tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất cho nghịch lƣu cầu H-NPC 5 bậc. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để chuyển các sóng điện áp điều khiển về ngƣỡng so sánh là cực đại hoặc cực tiểu của biên độ các sóng mang trên cơ sở điều chế gián đoạn. Việc chuyển điện áp điều khiển của pha nào về nhiều ngƣỡng khác nhau và đƣợc lựa chọn tối ƣu sao cho biên độ điện áp offset là nhỏ nhất. Với kỹ thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu toàn bộ các ngƣỡng so sánh của sóng mang sẽ đƣợc sử dụng để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Số lần chuyển mạch/pha/chu kỳ có thể giảm đến 33% theo lý thuyết và có thể đạt 15.25% ở tần số sóng mang 3000Hz. Kết quả của giải thuật đƣợc kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm. Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW25N120K. Các giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V6 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại. HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang iv
8. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải ABSTRACT This thesis implement carrier modulation with a novel offset based to reduce switching loss in five-level H-brigde neutral point clamped inverter will be presented in this paper. The proposed technique uses the offset is 3rd voltages to transfer the control voltage into the levels of each carriers. This transferring is depend on the distances of control voltage to levels is minimum. So that in this research five levels of carrier will be used to reduce the intersection of control and the carrier wave to reduce the number of switching losses. With the pulse width modulation method and flexible offset voltages in this study, the number of switchings/phase in a cycle can be reduced about 33% in theory and 15.25% in experimental at frequency carrier 3000Hz. Simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed method. The project has been experienced on the hardware of IGBT STGW25N120. The proposed control techniques have been implemented on DSP - F28335 with the embedded programming technique of the simulation model in MATLAB/Simulink combined with the software Code Composer Studio V6, which compile automatically to C-language and download to processor without programming again. HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang v
9. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT x DANH SÁCH HÌNH x DANH SÁCH BẢNG xv Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1Tổng quan về l nh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. 1 1.1.1 Tổng quan chung về l nh vực nghiên cứu 1 1.1.2 Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố 2 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc 2 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 3 1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý ngh a khoa học và thực tiễn của đề tài 4 1.3 Mục đích của đề tài 5 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 5 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 5 1.6 Điểm mới của đề tài : 5 1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài : 6 Chƣơng 2: CƠ SỞ L THUYẾT 7 2.1 Tổng quan về nghịch lƣu đa bậc 7 2.1.1 Khái niệm 7 2.1.2 Phân loại 7 2.2 Các cấu trúc bộ nghịch lƣu đa bậc 8 2.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lƣu NPC (Neutral Point Clamped) 8 2.2.2 Cấu trúc bộ nghịch lƣu kẹp tụ (Flying capacitor inverter) [2] 9 2.2.3 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng cascade 9 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang vi
10. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải 2.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lƣu áp dạng H-NPC 10 2.2.5 Nhận xét 11 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. 11 2.3.1 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung Sin PWM 11 2.3.2 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (MSPWM: Modified SPWM)13 2.3.3 Phƣơng pháp điều chế vector không gian: 14 2.3.3.1 Khái niệm vector không gian 14 2.3.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc . 15 2.3.3.3 Nguyên lý điều chế vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa bậc 17 Chƣơng 3: GIẢI THUẬT NGHỊCH LƢU 3 PHA 5 BẬC NPC CẦU H GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH .20 3.1 Nguyên lý bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC 20 3.2 Phƣơng pháp PWM đề xuất cho bộ nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch 22 3.3 Mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lƣu ba pha năm bậc H-NPC giảm số lần chuyển mạch 24 3.3.1 Thông số mô phỏng 24 3.3.2 Mô hình mô phỏng 25 3.3.3 Chức năng các khối trong mô hình 25 3.3.3.1 Khối tạo sóng sin 25 3.3.3.2 Khối sóng mang 26 3.3.3.3 Sơ đồ khối xung kích 26 3.4 Kết quả mô phỏng 27 3.4.1 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.3 27 3.4.2 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.5 29 3.4.3 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.86 31 3.4.4 Mô phỏng với chỉ số điều khiển m = 0.95 33 3.4.5 Nhận xét 35 3.5 Bảng phân tích FFT áp tải và dòng điện tải với các chỉ số điều chế m 35 3.5.1 Phân tích FFT điện áp tải 35 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang vii
11. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải 3.5.2 Phân tích FFT dòng điện tải 36 3.6 So sánh phƣơng pháp đề xuất với các phƣơng pháp đã công bố ở Việt Nam 36 3.7 Kết luận 37 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38 4.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 38 4.2 Mạch động lực 38 4.3 Mạch điều khiển 39 4.4 Module mạch kích 40 4.5 Mạch nguồn kích các IGBT 41 4.6 Tổng thể mô hình thực nghiệm 42 4.7 Mô tả mô hình thực nghiệm bằng kỹ thuật lập trình nhúng 43 4.7.1 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng 43 4.7.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink 44 4.8 Kết quả thực nghiệm trên tải R-L, R = 40Ω và L = 100mH. 45 4.8.1 Kết quả thực nghiệm với chỉ số m = 0.8 45 4.8.2 Kết quả thực nghiệm với chỉ số điều chế m = 1 46 4.8.3 Phân tích FFT điện áp pha tâm tải 48 4.8.4 Đặc tuyến điều khiển điện áp tải và dòng điện tải theo chỉ số điều chế m 49 4.8.5 So sánh THD Uta giữa mô phỏng và thực nghiệm 52 4.8.6 So sánh THDu giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố ở Việt Nam 52 4.9 Khảo sát số lần chuyển mạch của giải thuật đề xuất . 54 4.10 Kết luận. 55 CHƢƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56 5.1 Những kết quả đạt đƣợc 56 5.2 Kết luận 56 5.3 Hƣớng phát triển của đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 60 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang viii
12. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT A : Ampe – Đơn vị đo dòng điện Ac : Biên độ đỉnh sóng mang Am : Biên độ đỉnh sóng điều khiển APOD : Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí dịch pha 1800. C : Tụ lọc nguồn DC. CPWM : Carrier Based Pulse Width Modulation – Điều chế sóng mang PWM fc : Tần số sóng mang fm : Tần số sóng điều khiển H-NPC : Neutral Point clamped Multilevel H-bridge Inverter - Nghịch lƣu đa bậc kiểu diode kẹp cầu H IA : Dòng điện tải pha A. K : Số khóa chuyển mạch/1 pha L : Điện cảm tải. m : Chỉ số điều chế. ma : Tỉ số điều chế biên độ mf : Tỉ số tần số MSPWM : Modified Sin Pulse width modulation – Điều chế độ rộng xung cải biên PD : In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí cùng pha. PWM : Pulse width modulation - điều chế độ rộng xung R : Điện trở tải. S : Các khóa đóng ngắt. THD : Total Harmonic Distortion - Tổng méo dạng do sóng hài. V : Voltage – Đơn vị đo điện áp Vac : Điện áp dây nguồn lƣới ba pha. Vd : Điện áp DC của bộ chỉnh. Vref : Điện áp tải tham chiếu HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang ix
13. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải DANH SÁCH HÌNH Hình 2. 1: Bộ nghịch lƣu áp dạng NPC 8 Hình 2. 2: Bộ nghịch lƣu áp dạng kẹp tụ 9 Hình 2. 3: Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dạng cascade 10 Hình 2. 4: Bộ nghịch lƣu áp đa bậc dạng H-NPC 10 Hình 2. 5: Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế liên tục. 12 Hình 2. 6 :Dạng sóng mang, sóng điều khiển và xung kích điều chế gián đoạn 13 Hình 2. 7 : Đƣờng đặc tuyến giữa chỉ số m và tỉ số biên độ sóng sin/sóng mang 13 Hình 2. 8 : Dạng sóng điều khiển, 14 Hình 2. 9: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu 3 bậc 16 Hình 2. 10: Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lƣu 5 bậc 17 Hình 2. 11: Phân tích phƣơng pháp SVM 18 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 20 Hình 3.2 : Sơ đồ phân tích 1 pha 5 bậc H-NPC 21 Hình 3.3 : Mô tả dịch chuyển điện áp điều khiển theo giải thuật đề xuất 22 Hình 3.4: Lƣu đồ giải thuật đề xuất 23 Hình 3. 5: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab 24 Hình 3.6: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu 3 pha 5 bậc H-NPC. 25 Hình 3.7 : Dạng sóng sin đƣợc tạo ra 25 Hình 3. 8 : Dạng sóng tam giác đƣợc tạo ra 26 Hình 3. 9: Sơ đồ khối tạo xung kích 26 Hình 3.10: Điện áp điều khiển 3 pha và 4 xung kích (m = 0.3) 27 Hình 3.11: Điện áp tâm nguồn 3 pha (m =0.3) 27 Hình 3.12: Điện áp và dòng điện tải 3 pha (m = 0.3) 28 Hình 3.13: Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải (m = 0.3) 28 Hình 3.14: Điện áp điều khiển 3 pha và 4 xung kích (m = 0.5) 29 Hình 3.15: Điện áp tâm nguồn 3 pha (m =0.5) 29 Hình 3.16: Điện áp và dòng điện tải 3 pha (m = 0.5) 30 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang x
14. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải Hình 3.17: Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải (m = 0.5) 30 Hình 3.18: Điện áp điều khiển 3 pha và 4 xung kích (m = 0.86) 31 Hình 3.19: Điện áp tâm nguồn 3 pha (m =0.86) 31 Hình 3.20: Điện áp và dòng điện tải 3 pha (m = 0.86) 32 Hình 3.21: Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải (m = 0.86) 32 Hình 3.22: Điện áp điều khiển 3 pha và 4 xung kích (m = 0.95) 33 Hình 3.23 : Điện áp tâm nguồn 3 pha (m =0.95) 33 Hình 3.24: Điện áp và dòng điện tải 3 pha (m = 0.95) 34 Hình 3.25: Phân tích FFT điện áp và dòng điện tải (m = 0.95) 34 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 38 Hình 4. 2 : Sơ đồ nối dây và ảnh thực tế board mạch IGBT 39 Hình 4. 3: Vi xử lý DSP TMS320F28335 Experimenter Kit 40 Hình 4. 4 : Sơ đồ nguyên lý mạch driver 41 Hình 4. 5 : Sơ đồ mạch driver thực nghiệm [14]. 41 Hình 4. 6: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. 42 Hình 4. 7 : Sơ đồ mạch nguồn thực nghiệm [14] 42 Hình 4. 8: Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R-L [14] 42 Hình 4. 9: Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng 43 Hình 4. 10 : Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/Simulink 44 Hình 4. 11: Dạng sóng xung kích mô phỏng và thực nghiệm pha a (m = 0.8) 45 Hình 4. 12: Kết quả điện áp tâm nguồn 3 pha mô phỏng và thực nghiệm (m = 0.8)45 Hình 4. 13: Kết quả điện áp tải và dòng điện 3 pha mô phỏng và thực nghiệm 46 Hình 4. 14: Dạng sóng xung kích mô phỏng và thực nghiệm pha a (m = 1) 46 Hình 4. 15: Kết quả điện áp tâm nguồn 3 pha mô phỏng và thực nghiệm. 47 Hình 4. 16: Kết quả điện áp tải và dòng điện tải 3 pha mô phỏng và thực nghiệm . 47 Hình 4. 17: Độ lệch pha của điện áp 3 pha 48 Hình 4. 18: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng điện áp và dòng điện tải 48 Hình 4. 19: Đặc tuyến điều khiển điện áp tải pha a theo chỉ số m 50 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang xi
15. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải Hình 4.20: Đặc tuyến điều khiển dòng tải hiệu dụng pha a theo chỉ số m. 50 Hình 4.21: Đặc tuyến THD theo chỉ số m 51 Hình 4.22: so sánh THD với tài liệu [2] và [14] 53 Hình 4.23: Đặc tuyến chuyển mạch theo chỉ số điều chế m 54 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang xii
16. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt các khóa pha a 21 Bảng 3.2: Phân tích FFT điện áp tải pha a 35 Bảng 3.3: Phân tích FFT dòng điện tải pha a 36 Bảng 3.4: Phân tích FFT áp tải của các phƣơng pháp khác 37 Bảng 4.1: Giá trị điện áp và dòng điện theo chỉ số m 49 Bảng 4.2: Đặc tuyến THD Uta theo chỉ số điều chế của kết quả mô phỏng và thực nghiệm 52 Bảng 4.3: Kết quả thực nghiệm của phƣơng pháp đề xuất với tài liệu [2] và tài liệu [14] 53 Bảng 4.4: Số lần chuyển mạch của phƣơng pháp đề xuất với medimum và [14] 54 HVHT: Bùi Minh Ẩn Trang xiii
17. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổ qu hu về h vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và oài ƣớc 1.1.1. Tổng quan chung về h vực nghiên cứu Ngày nay ngành điện phát triển rất mạnh mẽ trở thành ngành chủ đạo của tất cả các ngành khác, bên cạnh đó kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp Với ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng tần số đƣợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng đƣợc cải tiến dần. Bộ nghịch lƣu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lƣợng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lƣợng đƣợc điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tƣơng ứng ta có bộ nghịch lƣu đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp và bộ nghịch dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lƣu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lƣu dòng có tính chất là nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lƣu tƣơng ứng đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu áp nguồn áp và bộ nghịch lƣu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lƣu áp và bộ nghịch lƣu dòng. Các bộ nghịch lƣu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng dụng quan trọng và tƣơng đối rộng rãi của chúng nhằm vào l nh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong l nh vực tần số cao, bộ nghịch lƣu đƣợc dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần. Bộ nghịch lƣu còn đƣợc dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lƣu còn đƣợc ứng dụng vào l nh vực bù nhuyễn công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thƣờng mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển HVTH: Bùi Minh Ẩn Trang 1
18. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ nghịch lƣu thƣờng chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trƣờng hợp đặc biệt nhƣ mạch tải cộng hƣởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dƣ), dòng điện 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). Nghịch lƣu đã đƣợc nghiên cứu gần 40 năm nay. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu đã và đang đƣợc thực hiện ngày một nhiều hơn. Đối tƣợng chính trong các nghiên cứu này, ở thời kỳ đầu, thƣờng là nghiên cứu nghịch lƣu theo phƣơng pháp điều chế độ rộng sóng mang (Carriers Pulse Width Modulation – CPWM). Chỉ đến những năm đầu 1990 các nghiên cứu mới đã thu đƣợc nhiều thành quả nhất là nghiên cứu theo phƣơng pháp vector không gian (Space Vector Pulse Width modulation – SVPWM). Hiện nay bộ nghịch lƣu áp đa bậc 3 pha đƣợc sử dụng rộng rãi do những ƣu điểm của nó nhƣ công suất cao hơn, chất lƣợng dòng điện và điện áp ngõ ra tốt hơn, mạch lọc ngõ ra nhỏ hơn v.v và ứng dụng thực tiễn của nó đạt hiệu quả rất cao. Nghịch lƣu 5 bậc cũng mới nghiên cứu đƣa vào sử dụng với những ƣu điểm tối hơn 3 bậc về chất lƣợng dòng điện và điện áp, nhƣng còn tổn hao về công suất nhiều nếu ta sử dụng các loại thiết bị công suất lớn. Chính vì vậy, tôi chọn hƣớng nghiên cứu của đề tài là: “Giải thuật nghị h ƣu 3 ph 5 bậc NPC cầu H giảm số lần chuyển mạ h”. 1.1.2. Các kết quả tro và oài ƣớ đã ô bố 1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu về nghịch lƣu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm của các nƣớc Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc Các công trình tiêu biểu cho hƣớng CPWM có thể kể đến là công trình của Steinke.J.K-Germany, của Tolbert, Cartrasa – USA, nhóm hợp tác của T.A.Lipo-USA, D.G.Holmes-Ustralia (1990-2005), Chiasson, Tolbert-USA, F.Blaabjerg Denmark (1990-2005), D.S.Huyn-Korea (1990-2005), K.Gopakumar-Indie (2000-2005), J.W.Dixon-Chile (2000-2005). Trong khi đó HVTH: Bùi Minh Ẩn Trang 2
19. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải nhóm phát triển kỹ thuật SVPWM đƣợc biết bởi các công trình liên quan tiêu biểu của F.Z.Peng, D.Boroyevich (USA), D.S.Huyn-Korea, J.Rodrigues – Chile, T.A.Meynard-France, Bin Wu-Canada Nghiên cứu “A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC- Bridge Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching Frequency” [3]. Đây là nghiên cứu tiêu biểu cho hƣớng điều chế sử dụng kỹ thuật SVPWM. Bài báo tập trung trình bày một trình tự chuyển mạch theo điều chế vector không gian nhằm tối ƣu hóa cho các cải thiện giảm hài bậc cao và giảm tần số chuyển mạch của các khóa công suất. Cấu hình nghịch lƣu trong nghiên cứu là cấu hình nghịch lƣu lai 5 bậc. Trong đó, mỗi pha của nghịch lƣu bao gồm hai nhánh NPC, một nhánh đƣợc kết nối với thiết bị đầu ra (tải) và nhánh còn lại kết nối với điểm trung tính. Mỗi cầu H đƣợc cung cấp bởi nguồn dc độc lập. Nghiên cứu “A Multilevel SVPWM Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation” [10] đã đề xuất một thuật toán SVPWM chung cho biến tần đa bậc dựa trên tiêu chuẩn SVPWM hai bậc. Kể từ khi các phƣơng pháp SVPWM đa bậc dựa trên điều chế hai bậc đƣợc đề xuất, việc tính toán trên cho một biến tần n bậc đã trở nên dễ dàng hơn. Các thuật toán SVPWM đề xuất có thể đƣợc áp dụng trong cả hai chế độ điều chế tuyến tính và chế độ quá điều chế. Biến tần 5 bậc H-NPC sử dụng các phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất ở trên, với số lần chuyển mạch ít và THD áp tải < 5%. 1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu tro ƣớc Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ƣu nghịch lƣu đa bậc trong luận án tiến s của tác giả Quách Thanh Hải, trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu này tập trung phân tích các cấu trúc nghịch lƣu đa bậc bao gồm các nghịch lƣu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lƣu lai hiện nay [11]. Nghiên cứu bộ nghịch lƣu ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc (5 bậc lai) trong luận văn thạc s của tác giả Bùi Thanh Hiếu, trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nghiên cứu này tập trung phân tích mô phỏng và thực nghiệm bằng HVTH: Bùi Minh Ẩn Trang 3
20. Luận văn tốt nghiệp GVHD: Quách Thanh Hải phƣơng pháp điều chế mới cho biến tần lai cầu H ba pha gồm hai nhánh NPC 3 bậc sử dụng một sóng mang có số lần chuyển mạch ít, hiệu quả trong việc giảm common-mode [2]. Để cân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 bậc dùng Zero- Sequence Vottage trong luận văn thạc s của tác giả Lê Văn Mạnh Giàu, trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nghiên cứu này tập trung phân tích mô phỏng trên Matlab với nhiều chỉ số điều chế và tải khác nhau để kiểm tra độ chính xác của giải thuật cần bằng điện áp [6]. Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật PWM sóng mang cho nghịch lƣu đa bậc lai trong luận văn thạc s của tác giả Nguyễn Văn Phục, trƣờng Đại Học bách khoa TPHCM. Nghiên cứu này tập trung trình bày điều khiển các cấu trúc nghịch lƣu hai bậc, đa bạc lai [15]. Nghiên cứu bộ nghịch lƣu ba pha 5 bậc đăng trên tạp chí sƣ phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh của tác giả Danh Tuấn Lê trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Nghiên cứu này tập trung phân tích “Kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lƣu ba pha 5 bậc H-NPC” Dùng IGBT và diode kẹp đã trình bày mô phỏng và thực nghiệm bộ nghịch lƣu áp 3 pha 5 bậc điều khiển bằng card DSP TMS320F28335 với phƣơng pháp điều chế độ rộng xung SinPWM cải biến [14] 1.2. Tính cấp thiết củ đề tài, ý h kho học và thực tiễn củ đề tài Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ điện tử công suất và đƣợc áp dụng nhiều trong các l nh vực khác nhau nhƣ: điện công nghiệp, điện tử, viễn thông . Trong l nh vực điều chế chỉnh lƣu, nghịch lƣu. Nghịch lƣu sử dụng rất là phổ biến và ngày càng đƣợc thiết kế với số bậc cao hơn nhƣ 3 bậc, 5 bậc với nhiều dạng nghịch lƣu khác nhau. Khi đƣa vào thực nghiệm thì có lý do đáng lƣu ý đó là tổn hao công suất điện, vì tổn hao lớn nhất khi tăng số bậc là tổn hao do dẫn điện. Do đó đề tài sẽ tập trung giảm sự chuyển mạch của các khóa có điện áp để giảm tổn hao. Kết quả đề xuất đƣợc kiểm chứng qua mô phỏng bằng phần mềm Mathlab. HVTH: Bùi Minh Ẩn Trang 4
21. S K L 0 0 2 1 5 4