Luận văn Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai cascade điều khiển bằng card DSP (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai cascade điều khiển bằng card DSP (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 LẠI LÊ ANH KIỆT NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC LAI CASCADE ÐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 5 2 4 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LẠI LÊ ANH KIỆT NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC LAI CASCADE ÐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh - 4/2017
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LẠI LÊ ANH KIỆT NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC LAI CASCADE ÐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THU HÀ Tp. Hồ Chí Minh - 4/2017
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC : Họ và tên: LẠI LÊ ANH KIỆT Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1989 Nơi sinh: Long An Quê quán: Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 51/49 Đường 10, Phường Linh Chiểu, Quận Thủ Đức, TP HCM Điện thoại cơ quan: Di động: 0975 291 433 Fax: Email: anhkiet815@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : Hệ đào tạo: Chính qui. Thời gian đào tạo từ : 10/2010 đến 09/2014 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án tốt nghiệp: ÐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG RỬA XE Ô TÔ TỰ ÐỘNG Bảo vệ đồ án tốt nghiệp: tháng 09 năm 2014 Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tấn Đời III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC : Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 09/2014 Công ty TNHH TMDV Kỹ sư kinh doanh và hổ trợ kỹ thuật Đến nay Song Thành Công Trang i
5. LỜI CÁM ƠN Xin chân thành gửi lời cám ơn đến PGS TS. Trần Thu Hà, đồng hướng dẫn thầy Ths. Đỗ Đức Trí đã tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi. Xin cảm ơn bộ môn cơ sở kỹ thuật điện Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã hổ trợ sử dụng phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D405 trong suốt thời gian thực hiện chuyên đề. Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cám ơn Học viên LẠI LÊ ANH KIỆT Trang ii
6. 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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lại Lê Anh Kiệt Trang iii
7. TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang, phương pháp điều chế đề xuất này được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB trên mạch 3 pha cầu H gồm 3 mạch Cascade 5 bậc để cung cấp nguồn cho phụ tải 3 pha, nhằm kiểm tra các trạng thái tại các điểm giao cắt giữa sóng điều khiển và sóng mang để giảm số lần chuyển mạch, giảm tổn hao đóng ngắt, giảm điện áp trên linh kiện. Với cách điều khiển như trên ta sẽ điều khiển được giá trị độ rộng xung như mong muốn. Do đó, những khoảng thời gian này, pha tương ứng sẽ không có sự chuyển mạch của các khoá công suất. Tổng thời gian không chuyển mạch của các pha là như nhau nên mỗi pha sẽ không có sự chuyển mạch trong 1/3 chu kỳ. Hay nói cách khác là số lần chuyển mạch sẽ giảm 33%. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm. Các giải thuật điều khiển đề xuất được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi xử lý điều khiển tín hiệu số trên card DSP F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB/SIMULINK 2013b kết hợp chương trình Code Composer Studio V6.0.1 biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý, kết quả trên mô hình phù hợp với lý thuyết đã trình bày và mục đích đề ra. Trang iv
8. ABSTRACT This project implemented the pulse width carrier wave modulation technique. This technique is supported by MATLAB software on H circuit three phase consisting of three circuits five levels cascade to provide power to the three phases load, checking the status at the intersection between the control wave and the carrier wave to reduce the number of switches, reducing the loss of switching off, reducing the voltage on the component. This technique will control the pulse width value as desired. Therefore, during these periods, the corresponding phase will not have the switching of the power locks. The total non switching time of the phases is the same, so each phase will have no switching in 1/3 of the cycle. In other words, the number of switches will decrease by 33%. The results of the algorithm are verified by simulation and experiment. The project has been experienced on digital signal controllers F28335 card with embedded programming technology from MATLAB/ SIMULINK 2013b software and Code Composer Studio V6.0.1 translated into C language and loaded into the microprocessor, the results the same with the presentation theory and the purpose. Trang v
9. MỤC LỤC Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CÁM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv DANH MỤC HÌNH ix DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu và lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục đích và giới hạn của đề tài 3 1.3 Điểm mới, giá trị thực của đề tài 3 1.4 Nhiệm vụ của đề tài 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 5 2.1.1 Giới thiệu tổng quát 5 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp 6 2.1.3 Phân loại bộ nghịch lưu áp 6 2.2 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 6 2.2.1 Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter) 7 2.2.2 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter) 8 2.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) 8 2.2.4 So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng nghịch lưu áp đa bậc trên 9 2.2.5 Nhận xét 10 2.3 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc 10 2.3.1 Phương pháp điều rộng 11 2.3.2 Phương pháp điều biên 12 Trang vi
10. 2.3.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung 13 2.3.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 14 Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG ĐỀ XUẤT VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ NGHỊCH 3 PHA 5 BẬC LAI CASCADE 16 3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 16 3.1.1 Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 16 3.1.2 Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascade 17 3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung của sóng mang đề xuất và mô phỏng giải thuật đề xuất trên bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai cascade 21 3.3 Kết quả mô phỏng 31 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 42 4.1 Sơ Đồ Khối Phần Cứng 42 4.2 Sơ đồ nguyên lí và hình ảnh thực nghiệm 42 4.2.1 Card DSP TMS 320 F28335 42 4.2.2 Mạch đệm 45 4.2.3 Mạch kích 46 4.2.4 Mạch nguồn kích 48 4.2.5 Mạch công suất 49 4.2.6 Mạch động lực 49 4.3 Sơ đồ tín hiệu hệ thống lập trình nhúng. 51 4.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 53 4.4.1 Xung kích 53 4.4.2 Điện áp pha tâm nguồn 55 4.4.3 Điện áp pha tải 57 4.4.3.1 Điện áp pha tải sử dụng tải R: (R=200 Ohm) 57 4.4.3.2 Điện áp pha tải sử dụng tải R-L ( R=200 Ohm, L=0.05H) 64 4.3.3.3 So sánh đặc tuyến của THD điện áp tải thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố khác tại Việt Nam 70 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 Trang vii
11. 5.1 Kết luận 73 5.2 Đánh giá kết quả đạt được 73 5.3 Hướng phát triển 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC: BÀI BÁO ĐƯỢC ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ CHUYÊN NGÀNH 75 Trang viii
12. DANH MỤC HÌNH Hình 2. 1: Cấu trúc dạng Diode kẹp NPC 7 Hình 2. 2: Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi 8 Hình 2. 3: Cấu trúc dạng ghép tầng 9 Hình 2. 4: Giản đồ điều khiển điện áp tải 11 Hình 2. 5: Điện áp ngõ ra được điều khiển theo dạng bậc thang nhiều bước 12 Hình 2. 6: Sơ đồ tạo thực hiện tạo tín hiệu điều chế 14 Hình 3. 1: Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha 16 Hình 3. 2: Cấu trúc mạch nghịch lưu 5 bậc cascade 17 Hình 3. 3: Biễu diễn 1 pha của mạch nghịch lưu 5 bậc cascade 18 Hình 3. 4: Mô tả sự điều khiển độ rộng xung theo sóng mang của giải thuật đề xuất. 22 Hình 3. 5: Lưu đồ giải thuật đề xuất 22 Hình 3. 6: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab 23 Hình 3. 7: Mô phỏng mạch nghịch lưu 3 pha 5 bậc điều khiển độ rộng xung theo sóng mang của giải thuật đề xuất bằng Matlab/ Simulink 23 Hình 3. 8: khối tạo sóng mang và sóng sin 24 Hình 3. 9: khối tạo sóng mang 24 Hình 3. 10: Dạng sóng mang tam giác với tần số 5 KHz 25 Hình 3. 11: Trạng thái tín hiệu sina, sinb và sinc 25 Hình 3. 12: Trạng thái tín hiệu sina và 4 sóng mang 25 Hình 3. 13: khối tạo xung kích 26 Hình 3. 14: Sơ đồ mạch công suất 26 Hình 3. 15: Dạng sóng xung kích pha a của nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc lai cascade 30 Hình 3. 16: Dạng sóng xung kích pha b của nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc lai cascade 30 Hình 3. 17: Dạng sóng xung kích pha c của nghịch lưu áp 3 pha 5 bậc lai cascade 30 Hình 3. 18: Trạng thái điện áp pha Ua0 của nghịch lưu áp 5 bậc lai cascade 31 Hình 3. 19: Trạng thái điện áp pha Ub0 của nghịch lưu áp 5 bậc lai cascade 31 Hình 3. 20: Trạng thái điện áp pha Uc0 của nghịch lưu áp 5 bậc lai cascade 31 Hình 3. 21: Trạng thái điện áp 3 pha Ua0, Ub0, Uc0 của nghịch lưu áp 5 bậc lai cascade 32 Hình 3. 22: Trạng thái điện áp pha a tâm tải Uta của nghịch lưu 5 bậc lai cascade. . 32 Hình 3. 23: Trạng thái điện áp pha b tâm tải Utb của nghịch lưu 5 bậc lai cascade. 32 Hình 3. 24: Trạng thái điện áp pha c tâm tải Utc của nghịch lưu 5 bậc lai cascade. . 32 Trang ix
13. Hình 3. 25: Trạng thái điện áp trên tải Uta, Utb, Utc của nghịch lưu 5 bậc lai cascade 33 Hình 3. 26: Trạng thái dòng điện trên tải Ita, Itb, Itc của nghịch lưu áp 5 bậc lai cascade 33 Hình 3. 27: Điện áp common mode của giải thuật đề xuất 34 Hình 3. 28: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=1 34 Hình 3. 29: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.9 35 Hình 3. 30: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.8 35 Hình 3. 31: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.7 36 Hình 3. 32: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.6 36 Hình 3. 33: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.5 37 Hình 3. 34: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.4 37 Hình 3. 35: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.3 38 Hình 3. 36: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.2 38 Hình 3. 37: Kết quả phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với m=0.1 39 Hình 3. 38: Biểu đồ phân tích FFT áp tải pha a với các hệ số điều chế 40 Hình 3. 39: Biểu đồ phân tích FFT dòng tải pha a với các hệ số điều chế 40 Hình 3. 40: Biểu đồ THD áp tải pha a với các hệ số điều chế 41 Hình 4. 1: Sơ đồ khối phần cứng 42 Hình 4. 2: Sơ đồ khối chức năng của card DSP TMS320 F28335 44 Hình 4. 3: Card DSP TMS320 F28335 45 Hình 4. 4: Sơ đồ nguyên lý của mạch đệm. 45 Hình 4. 5: Mạch đệm thực tế 45 Hình 4. 6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động IGBT Driver 46 Hình 4. 7: Sơ đồ nguyên lý mạch kích 46 Hình 4. 8: Mạch kích thực tế 47 Hình 4. 9: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn kích 48 Hình 4. 10: Mạch nguồn kích 48 Hình 4. 11: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 49 Hình 4. 12: Mạch công suất thực tế 49 Hình 4. 13: Cầu chỉnh lưu KBPC3510 50 Hình 4. 14: Tụ HCGFA 10000µF-350VDC 50 Hình 4. 15: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT FGA25N120 51 Hình 4. 16: Sơ đồ tín hiệu của hệ thống thực nghiệm với kỹ thuật lập trình nhúng . 52 Hình 4. 17: Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/Simulink 53 Hình 4. 18: Sóng xung kích pha a mô phỏng và thực nghiệm 54 Trang x
14. Hình 4. 19: Sóng xung kích pha b mô phỏng và thực nghiệm 54 Hình 4. 20: Sóng xung kích pha c mô phỏng và thực nghiệm 55 Hình 4. 21: Dạng sóng điện áp pha a tâm nguồn mô phỏng và thực nghiệm 55 Hình 4. 22: Dạng sóng điện áp pha b tâm nguồn mô phỏng và thực nghiệm 56 Hình 4. 23: Dạng sóng điện áp pha c tâm nguồn mô phỏng và thực nghiệm 56 Hình 4. 24: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm nguồn mô phỏng và thực nghiệm. 57 Hình 4. 25: Mô hình thực nghiệm sử dụng tải R 57 Hình 4. 26: Dạng sóng điện áp pha a tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R 58 Hình 4. 27: Dạng sóng điện áp pha b tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R 58 Hình 4. 28: Dạng sóng điện áp pha c tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R 59 Hình 4. 29: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R 59 Hình 4. 30: Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a và dòng điện 3 pha tải 60 Hình 4. 31: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải và dòng điện 3 pha tải R 60 Hình 4. 32: Góc lệch pha của 3 pha tâm tải R 61 Hình 4. 33: Phân tích FFT điện áp pha tâm tải R 61 Hình 4. 34: Biểu đồ phân tích FFT áp tải pha a với các hệ số điều chế tải R 62 Hình 4. 35: Biểu đồ phân tích FFT dòng tải pha a với các hệ số điều chế 63 Hình 4. 36: Đặc tuyến THD áp tải pha a với các hệ số điều chế tải R 63 Hình 4. 37: Mô hình thực nghiệm tải R-L 64 Hình 4. 38: Dạng sóng điện áp pha a tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R-L 64 Hình 4. 39: Dạng sóng điện áp pha b tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R-L 65 Hình 4. 40: Dạng sóng điện áp pha c tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R-L 65 Hình 4. 41: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải mô phỏng và thực nghiệm tải R-L 66 Hình 4. 42: Dạng sóng điện áp tâm nguồn pha a và dòng điện 3 pha tải 66 Hình 4. 43: Dạng sóng điện áp 3 pha tâm tải và dòng điện 3 pha tải R-L 67 Hình 4. 44: Góc lệch pha của 3 pha tâm tải R-L 67 Hình 4. 45: Phân tích FFT điện áp 3 pha tâm tải sử dụng tải R-L 68 Hình 4. 46: Biểu đồ phân tích FFT áp tải pha a với các hệ số điều chế tải R-L 69 Hình 4. 47: Biểu đồ phân tích FFT dòng tải pha a với các hệ số điều chế tải R-L 69 Hình 4. 48: Đặc tuyến THD áp tải pha a với các hệ số điều chế tải R-L 70 Hình 4. 49: So sánh đặc tuyến của THD điện áp tải thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố khác tại Việt Nam 71 Trang xi
15. DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng 7 Bảng 2. 2: So sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu 10 Bảng 3. 1: Điện áp ngõ ra ứng với các trạng thái đóng ngắt của mạch nghịch lưu 5 bậc cascade 19 Bảng 3. 2: Bảng phân tích FFT áp tải và dòng tải pha a với các hệ số điều chế 39 Bảng 4. 1: Hệ số m và đặc tuyến của điện áp tải, dòng điện tải R 62 Bảng 4. 2: Hệ số m và đặc tuyến của điện áp tải, dòng điện tải thực nghiệm tải R-L 68 Bảng 4. 3: So sánh đặc tuyến của THD điện áp tải thực nghiệm của giải thuật đề xuất với các kết quả đã công bố khác tại Việt Nam 71 Trang xii
16. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT - ADC: Analog Digital Chanel - C– PWM: Carrier Based Pulse Width Modulation. - IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor - GTO: Gate Turn off Thyristor - NPC: Neutral Point Clamped - PWM: Pulse Width Modulation - PSO – PID: Particle Swarm Optimization_ Proportional Integral Derivative Controller - Sin – PWM: Sin – Pulse Width Modulation. - SH – PWM: Subharmonic Pluse Width modulation - SVPWM: Space vector Pusle Width. - THD: Total Harmonic Distortion - m: Hệ số điều chế. - Vd: Điện áp DC của bộ chỉnh lưu. - Vac: Điện áp dây nguồn lưới ba pha. - fm: Tần số sóng mang. - f0: Tần số cơ bản sóng điều khiển. - Vref: Điện áp tải tham chiếu - Ita: Dòng điện tải pha a. Trang xiii
17. Chương 1 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu và lý do chọn đề tài Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Điện tử công suất đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất hiệu quả cao và tổn hao thấp. Các thiết bị điện tử công suất mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng. Lợi ích nhìn thấy đầu tiên là tiết kiệm điện, hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ nghịch lưu rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống. Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển hệ thống, các bộ nghịch lưu hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động cho bơm và quạt. Nhờ tính năng kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển hiện đại nhất các bộ nghịch lưu đang và sẽ làm hài lòng nhiều nhà đầu tư trong nước, trong khu vực và trên thế giới. Chúng ta sẽ không còn những nỗi lo về việc không làm chủ, khống chế được năng lượng trong quá trình truyền động bởi có thể kiểm soát được nó thông qua các chế độ bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng, quá áp Ở nước ta lĩnh vực điện tử công suất không phải là mới, có nhiều công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc dùng cho ứng dụng điện áp cao và công suất lớn. Việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp mới để nâng cao hiệu suất của thiết bị và giảm tổn hao được quan tâm hàng đầu. Ứng dụng của chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao, tuy nhiên chưa có nhiều đề tài nghiên cứu về thuật toán cải thiện tổn hao và nâng cao hiệu suất sử dụng. Trang 1
18. Chương 1 Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố - Tình hình nghiên cứu trong nước: Trong những năm vừa qua các nhóm nghiên cứu trong nước có khá nhiều nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc. Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [3]. Năm 2015, báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường trọng điểm nhóm tác giả Lê Thanh Lâm, Trần Quang Thọ đã trình bày nghiên cứu “ Xây dựng kỹ thuật điều chế PWM mới để giảm sóng hài của bộ nghịch lưu nối lưới” đã cho thấy hài THD dòng điện giảm đáng kể khi so sánh với chu kỳ chuyển mạch là hằng số trong cùng giá trị trung bình tổn hao chuyển mạch [4]. - Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Có khá nhiều nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đề tài đã đề xuất trong đó phải kể đến các nghiên cứu sau: Năm 2003, tác giả Jae Hoon Lee and Bo Hyung Cho, đã công bố đề tài nghiên cứu trên tạp chí IEEE, mô phỏng và kiểm soát sự tổn hao do sự nóng lên của thiết bị công suất Mosfet [5], trong thời gian này tác giả Nguyen Van Nho, Myung Joong Youn cũng đăng trên tạp chí IEEE công bố kết quả nghiên cứu về điều chế độ rộng xung trong nghịch lưu 2 bậc [6]. Năm 2004, tạp chí IEEE đã đăng tải nghiên cứu của Di Zhao, Gopalaratnam Narayanan and Raja Ayyanar, trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới về giảm tổn hao đóng cắt trong trong gian vectơ dựa trên phương pháp điều chế độ rộng xung [7]. Năm 2006, tác giả Nguyen Van Nho, Hong Hee Lee and Nguyen Huy Khuong trên tạp chí IEEE đã đăng tải kết quả nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc cascade dựa trên phương pháp điều chế độ rộng xung sin [8]. Trang 2
19. Chương 1 Trên PEDS Bangkok 2007, tác giả Nguyen Van Nho, Quach Thanh Hai and Hong Hee Lee đã công bố nghiên cứu “Carrier Based Single-state PWM Technique In multilevel Inverter”, nói về kỹ thuật điều chế sóng mang trên bộ nghịch lưu đa bậc [9]. Trong đề tài này chúng ta tập trung vào tìm hiểu và phân tích hoạt động của mạch nghịch lưu đa bậc và đề xuất thuật toán điều khiển điều chế độ rộng xung mới, dựa trên cấu hình mạch nghịch lưu đa bậc này thực hiện thuật toán điều chế độ rộng xung của sóng mang để giảm các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra và giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện. Từ những vấn đề trên nên đề tài: “NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA 5 BẬC LAI CASCADE ĐIỀU KHIỂN BẰNG CARD DSP” được chọn để nghiên cứu 1.2 Mục đích và giới hạn của đề tài Mục đích của đề tài nghiên cứu bộ nghịch lưu 3 pha 5 bậc lai cascade điều khiển bằng card DSP là đề xuất giải thuật điều chế độ rộng xung của sóng mang, để cải thiện độ méo dạng tổng do hài và giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện. Đề tài chỉ nghiên cứu giải thuật trên mô hình với tải công suất nhỏ. 1.3 Điểm mới, giá trị thực của đề tài Giảm tổn hao bằng cách điều khiển độ rộng xung của sóng mang. Kết quả thực nghiệm giảm độ méo dạng tổng do hài và giảm tổn hao chuyển mạch trên linh kiện 1.4 Nhiệm vụ của đề tài Để đạt được mục đích trên đề tài có các nhiệm vụ sau: Nghiên cứu cách thiết kế mạch nghịch lưu đa bậc, dùng phần mềm mô phỏng Matlab để kiểm chứng. Phân tích, so sánh các kỹ thuật điều chế độ rộng xung, tìm ra phương pháp điều chế tối ưu nhất. Trang 3
20. Chương 1 1.5 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển mạch nghịch lưu. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố trong nước và quốc tế. Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Simulink/Matlab để tìm ra kết quả, phân tích và đánh giá kết quả đó. Trang 4
21. Chương 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 2.1.1 Giới thiệu tổng quát Điều khiển động cơ điện là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế truyền động điện. Động cơ điện được thiết kế luôn luôn có một tần số và điện áp định mức. Ở tần số và điện áp định mức, động cơ vận hành với hiệu suất thiết kế và tổn hao trong động cơ là nhỏ nhất, đem lại giá trị kinh tế lớn nhất. Trong truyền động điện thì yêu cầu điều chỉnh tốc độ thường xuyên được đặt ra và ngày càng yêu cầu độ chính xác trong điều khiển. Một phương pháp được đưa ra để điểu khiển tốc độ động cơ đạt hiệu quả cao và kinh tế là điều khiển cả tần số và điện áp đặt vào động cơ. Điện áp lưới không đặt trực tiếp vào động cơ mà gián tiếp qua một thiết bị biến đổi, thiết bị biến đổi này sẽ thay đổi tần số và điện áp của động cơ để đạt được giá trị mong muốn của tốc độ. Thiết bị thay đổi tần số và điện áp đặt vào động cơ được gọi với tên gọi chung là bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể Trang 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4