Nghịch Lưu Tăng Áp Đa Bậc Một Pha.pdf

S K L 0 0 2 1 5 4 4 BIA SAU A4 pdf (p 111)

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

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 Hô Chỉ Minh, ngày 22 tháng 09 năm 2017

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Võ Đại Vân

Trang 11

dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi

Xin cam ơn ban lãnh đạo Khoa Điện — Điện tử Trường Đại

học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hỗ 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 và bạn bè đã động viên tôi trong

suốt thời gian học

XIn kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

TOM TAT LUAN VAN

Biến tần đa bậc đang đóng vai trò quan trọng trong các lưới điện nhỏ kết nối năng lượng tái tạo Yêu cầu về điện của khách hàng kết nối với lưới điện nhỏ chủ yếu phụ thuộc vào độ tin cậy của bộ nghịch lưu đa bậc nối với các nguồn năng lượng tái tạo

Luận vắn này trình bày một cầu hình nghịch lưu đa bậc mới với việc sử dụng hai phương pháp điều khiển khác nhau để tạo ra 7 bậc hoặc 9 bậc điện áp ở ngõ ra Số lượng khóa bán dẫn ít hơn so với các bộ nghịch lưu đa bậc thông dụng, nhờ đó làm

giảm tính phức tạp và kích thước của hệ thống, cũng như chỉ phí của toàn bộ hệ thống

Bộ nghịch lưu được thiết kế chỉ sử dụng một nguồn DC duy nhất, nhờ vào một

mạch tăng áp truyền thống và các cấu trúc chuyền điốt tụ đã tạo cho ngõ ra bộ nghịch lưu có nhiều cấp điện áp khác nhau Một mạch tăng áp được kết hợp vào bộ nghịch

lưu sẽ khắc phục được các nhược điểm mà các bộ nghịch lưu thông dụng đang gặp

phải như là cho điện áp ngõ ra cao hơn điện áp nguồn cấp, điện áp ngõ ra được điều khiển dễ dàng băng cách thay đổi hệ số ngắn mạch Phương pháp điều khiển, phân

tích hoạt động, lựa chọn linh kiện và biểu thức điện áp ngõ ra được tính toán Các kết

quả lý thuyết được kiêm chứng trên phần mềm mô phỏng PSIM và thực nghiệm trên mô hình điều khiển bằng kit DSP TMS320F28355 và FPGA Cyclone II EP2C5T144

Bài nghiên cứu được trình bày gồm 5 chương:

Chương I1: Trình bày tổng quan về tính hình nghiên cứu bộ nghịch lưu, ưu khuyết điểm của ba bộ nghịch lưu truyền thống NPC, flying capacitor, cascade multilevel inverter, mục đích của đề tài, cũng như phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Giới thiệu cầu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc

Chương 3: Cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc đo tác giả đề xuất

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của bộ nghịch lưu tăng áp đa bậc đề xuất

Chương 5: Những ưu điểm và hạn chế của đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Trang v

ABSTRACT

Multilevel inverters are playing a major role in renewable energy connected micro grids Electricity requirement of customers connected to the micro grid mainly depends on the reliability of multi-level inverter connected to the renewable energy sources This thesis presents a novel multilevel inverter topology with the use of two different control methods to create seven-level or nine-level of the output voltage The number of power switches is less than the conventional multilevel inverters, thus reducing the complexity and overall size of the system, as well as the cost of the entire system

The proposed inverter is designed only use a single DC source, due to a traditional boost converter circuit and switched didt capacitor structures created for the output inverters have many different voltage levels A boost converter integrated into the inverter will overcome the disadvantages that conventional inverters are experiencing as the output voltage is higher than the supply voltage The output voltage is controlled easily by changing the short-circuit coefficient Methods of control, analysis of operation principle, component selection and output voltage expression has been calculated To verify the performance, PSIM simulation is used and a laboratory prototype has constructed a base on a TMS320F28335 controller and FPGA Cyclone II EP2C5T144

The paper presents with five chapters:

Chapter 1: Overview of inverter research, the advantages and disadvantages of three traditional inverters is NPC, flying capacitors, cascade multilevel inverters The purpose of the research as well as the limitation and research method

Chapter 2: Introduction of multilevel boost inverter topology

Chapter 3: Presenting the multilevel boost inverter topology was proposed by the author

Chapter 4: Simulation and experimental results of the proposed topology

Chapter 5: The advantages and disadvantages of the research and direction of future development

Trang vi

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC - ¿- ¿+ E£E£EEtEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkri, i LOI CAM DOAN Qiieeecceccscssesscsscssessesccsesssssessessssssssssssesstsstsssstsstssssessessessnssesessneaen iii LOI CAM TA wioeececsccsccscscssesscssasssssesscssssssssssssssassussesusatsessnssssessssatsessesasssaeaueass iv TOM TAT LUAN VAN iociccsccscscscesescsscssessescssessesssssstsstssssesstsssssssecstsstssssssneaases V MỤC LỤC 52 S33 1 1815 13131151115111511111513 1511151111111 vii DANH MUC HINH.Q.u.eecesesssessesseseseesscsesscsessessceesscsnsscsesansesanssssnssestsassesanssenseesseee X DANH MỤC BẢNG 2 5< s23 E511 13 11131111171115151115 111111 ce xii DANH MỤC CÁC KY HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5s: xii Chương 1 TÔNG QUANN - + 5-6 +2 SE+kEESEEEEEEEESEEEEEEEESEEEEEEEErkrkrkrrrrrrerkee 1 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên CỨu - 2 - + + s+E£E+EsEE+EeEeEeverkeeersrereeed 1

1.2 Mục đích của đỀ tài - c5 2 1S S111 11313 15131111 1 11.1 rree 3 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài - set Et kg re, 3

1.4 Phương pháp nghiÊn CỨU G G5 G1131 11110301 11118 11 111 111 119g ve, 3

1.5 Điểm mới của đề tài ¿- - 6-52 S133 1x1 E1E11 11311115 1111311 11.111 1300 4 1.6 Giá trị thực tiễn của để tài - +: 5< cà StE1EE E311 1111111111311 11x00 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUUYÊTT 2 SE #EE+E+ESEEeEEEeEsvkeEererkrvereeed 5 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu - 2 2s + ss+E£E#EeEE+EEEeEsvxrkeevererererrrerered 5

2.1.1 Khái niỆm - CC 11309050030 nọ re 5

2.1.3 Các cầu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng - - 2 sss+scs2 6 2.2 Nghịch lưu tăng áp truyền thống . - + + +2 Ek£E£EEE£kckeEerrkred 10 2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình TỈ 5S SA 11resse 11 2.2.1 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T 12

Trang vii

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T I3 2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyên điốt tụ điện - - + 5xx: 15 2.3.1 Câu trúc chuyển điốt tụ điện - -sskkxv*x+E£keEsvesereersrerkrseree 15 2.3.2 Phương pháp điều khiến của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển

3.2 Phương pháp điều khiến tạo 7 bậc điện áp ngõ ra . - 55s: 25

3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc - ss+s+xsze2 25 3.2.2 Nguyên lý hoạt động - c1 11 1 11 31111 ng sen 26 3.3 Phuong pháp điều khiển tạo 9 bậc điện áp ngõ ra - 5 5s: 30 3.3.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 9 bậc 2s s+sxs+xzs+ 30 3.3.2 Nguyên lý hoạt động - - - - Ă S1 ng 1 ng vn 31

3.3.3 Tinh toán lựa chon gia tri cho cuộn dây và tụ điện 36

3.4 So sánh câu hình nghịch lưu tăng áp 9 bậc với các cầu hình nghịch lưu khác

Chương 4 KÉT QUÁ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM . - 39

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiỆm - - - - - 552 *+**SSSsSEEsesssssseeeres 39

Trang viii

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

CN N lai 0i v40 39

4.1.2 Mô tả chỉ tiẾt cà S+ L1 1111 1011111111311 1311111111111 11k 41 4.1.2.1 Kit điều khiến TMS320F28335 ¿- + 5-52 Sccectrcterrrsred 41

4.1.2.2 KItEPGA Cyclone II EP2CS T'I44 555 22+ vsseses 41 4.1.2.3 Mạch nguồn kích s5 5s ket SkEEEExkkEE 9E ckeEererkrersee 42

4.1.2.4 Mạch nghịch lưu để Xuấtt + tt cn can nEEE ve rrerererrersrsrersrsrd 43

4.2 Kết quả mô phỏng thực hiện với phần mềm PSIM . +: 44 4.2.1 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc 44 4.2.2 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế độ rộng xung 9 bậc 45 4.3 Kết quả thực nghiệm - - se k£E S93 kEE9 SE veEExvvcvgEvveckgerervred 47 4.3.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp điều chế độ rộng xung 7

ĐẬC à HH THHT1E11013 111111 111111111115 T1 T01 111111 1111 T10 T0 T11 T11 TH ve 49 Chương 5 KẾT LUẬN . + sE %E£E#SE+E€EeEE£EEEEEEESEEEEEEkrkeEerkrkererkrcee 52

5.2 Hướng phát triỂn - - se +s+xEkeEEE+EEESEESETkEEEEEEEEEEEEETEEEEETxrkrkrrrrkee 52

TAI LIEU THAM KHẢO 2-2 56 Sẻ EE£E£EE#EE£EEEEEEEEEEEEEEEErkerkri, 54 PHU LƯỤCC - 6 2E SE SEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEESEE15111111313151115111 11111 1 58

Trang 1x

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Cầu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC - 2 5x5: 7

Hình 2.2: Câu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng tụ kẹp - 8

Hình 2.3: Cấu hình mach nghịch lưu năm bậc dạng cascade -‹‹ ««s<- 9 Hình 2.4: Câu hình nghịch lưu tăng áp truyền thống - 5-5 s+cscscxccxei 10 Hình 2.5: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T -2- - 5s se: 11 Hình 2.6: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp Š bậc hình T 12

Hình 2.7: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải của mạch 14

nghich luru Đ 82:41: 14

Hình 2.8: Cấu hình nghịch lưu tăng áp Š5 bậc chuyên điốt tụ điện - 15

Hình 2.9: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyên điốt tụ điện s5: 15 Hình 2.10: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5Š bậc hình T 16

Hình 2.11: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ đương của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện - - 5 s+c++x+xerereeeerxred 18 Hình 2.12: Câu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển tụ điện -<- 19 Hình 2.13: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyền tụ điện . 5«¿ 20 Hình 2.14: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện 21

Hình 2.15: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ đương của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện - - - -Lcs Họ Họ vớ 22 Hình 3.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu tăng áp đa bậc (Đề xuất) 5-5: 24 Hình 3.2: Giản đồ xung cho bộ nghịch lưu đề xuất với 7 bậc điện áp ngõ ra 25

Hình 3.3: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện của mạch nghịch lưu khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc - 2-2 + xe kexsvx+vezsei 28 Hình 3.4: Giản đồ xung cho bộ nghịch lưu đề xuất với 9 bậc điện áp ngõ ra 30

Hình 3.5: Giản đồ xung điều khiển của khóa ,5:, S2 trong nữa bán kỳ 33

Hình 3.6: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện của mạch nghịch lưu khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 9 bậc 2-2 + csecrxexerxrerreee 35 Hình 4.1: Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm - 2 2s +s£E+EEcEeExrEeEerererreee 39 Hình 4.2: Mạch thực nghiệm cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc đề xuắt 40

Trang x

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Hình 4.3: Mô hình thực tế thí nghiệm cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc đề xuất

¬ Ã 40 Hình 4.4: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 HH g g ve, 41 Hình 4.5: Kit FPGA Cyclone II EP2CS TÌ144 +5 c1 Evxeeeereeerrrsererse 42 Hình 4.6: Hình dạng và sơ đô chân của IC DCH01 2- 2-52 s+s2£szszzs2 42 Hình 4.7: Sơ đồ mạch nguồn kÍchh - 2 =5 ket k£EeE+EEES+EEEeEkrkererkrkerererrrre 42 Hình 4.8: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT G40N60 và G40N120 43

Hình 4.9: Hình dạng và sơ đỗ chân của đit DSEI60-06 - 2-52 sở 43

Hình 4.10: Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc 44 Hình 4.11: Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế độ rộng xung 9 bậc 46 Hình 4.12: Kết quả thực nghiệm với phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc 48 Hình 4.13: Độ méo hài tổng và giá trị hiệu đụng: (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải Hình 4.14: Kết quả thực nghiệm với phương pháp điều chế độ rộng xung 9 bậc 50 Hình 4.15: Độ méo hài tổng và giá trị hiệu dụng: (a) Điện áp tải (b) Dòng điện tải

Trang xi

Bảng 2.4: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện 23

Bảng 3.1: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu đề xuất sử dụng phương pháp

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT

DANH SACH KY HIEU

DANH SACH CHU VIET TAT

Trang xiii

Chương 1

TÔNG QUAN

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo như là năng lượng mặt trời, gió đã được công nhận như là một thay thế có giá trị thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch vì những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường Dé đáp ứng với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng mới, hiệu suất ngõ ra của hệ thống nên được cải thiện thông qua việc nâng cao chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra,

giảm tốn hao trên linh kiện và cũng làm giảm các bộ lọc ngõ ra và kích thước biến

áp Trong số các loại nghịch lưu phô biến sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái

tạo, nghịch lưu đa bậc (MLIS) [1] có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang

ở đầu ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tôn hao chuyển mạch thấp [2] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [3]-[7]

Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau của là sử

dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc máy

biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [8] Các cấu hình đa bậc (MLI) phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [9], kẹp tụ (FC) [10] và ghép tầng cascade (CHB) [11],

[12] Trong đó, các bộ nghịch lưu didt kep va kep tu st dung didt va tu dién dé tao ra

các mức điện áp, và có thể thu được nhiều mức điện áp bằng cách tăng số lượng các nguồn DC Tuy nhiên, cả hai cấu hình mạch và phương pháp điều khiến trở nên rất phức tạp cùng với sự gia tăng số bậc điện áp đầu ra Hơn nữa, sự mất cân bằng của tụ điện là một khó khăn khác cần phải được giải quyết trong các loại cầu hình nảy Một số cầu hình mở rộng cho NPC đã được giới thiệu trong [13]-[15] Đối với các

mạch nghịch lưu hoạt động ở số bậc điện áp cũng như yêu cầu công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu CHB được ưu tiên sử dụng nhờ vào những mô-đun cầu H tích hợp, từ

đó dé dàng mở rộng [16], [17] Tuy nhiên, khi điện áp đầu ra có nhiều cấp hơn, số lượng các nguôn đầu vào sẽ tăng lên

Trang 1

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng đề tránh những hạn

chế nói trên thông qua việc giới thiệu các cầu trúc đa bậc mới Tuy nhiên, tạo ra nhiều

cấp điện áp đầu ra với số lượng tối thiểu của các nguồn điện DC độc lập ở ngõ vào

và các thành phân đi kèm khác như mạch điều khiển và các thiết bị chuyên mạch là

một thách thức đỗi với các nhà nghiên cứu [18]-[22]

Nghịch lưu đa bậc được giới thiệu trong [23] với việc sử đụng nhiều mô-đun giúp dễ dàng mở rộng Tuy nhiên, nó làm tăng số lượng tụ điện và khóa bán dẫn Bộ nghịch lưu đa bậc sử đụng các nguồn DC nối tiếp đã được đề xuất trong [24] với việc sử dụng nhiều nguồn DC để giảm tôn thất chuyển mạch Tuy nhiên, số lượng điện áp đầu ra phụ thuộc vào số lượng nguôn cấp DC Bộ nghịch lưu sử dụng các nguồn cấp nối tiếp/song song để làm tăng số lượng các cấp điện áp đầu ra đã được đề xuất trong [25], tuy nhiên cấu hình là phức tạp và làm tăng tổn hao dẫn Trong [26], một bộ nghịch lưu có khả năng tăng/giảm điện áp và có số bậc ngõ ra lớn nhờ vào đặc tính

của tụ điện, tuy nhiên sự mất cân bằng p1ữa các tụ điện rất dễ Xảy ra

Sự thay thế câu trúc nguồn cấp băng một mạch chuyền tụ điện (SC) để giải quyết van đề giảm số lượng các nguồn cấp DC Cấu trúc SC bao gồm một nguồn cấp với

hai khóa bán dẫn chuyển mạch, một điết và một tụ điện được kết hợp để giup tụ điện

chuyên đổi hoạt động trong nối tiếp hoặc song song với nguồn cấp Y tưởng của cầu

trúc SC được giới thiệu trong [27] Nhiều bộ nghịch lưu được dựa trên nguyên lý hoạt

động của cầu trúc SC được giới thiệu trong [28]-[31] Tuy nhiên, hầu hết các cầu trúc này có điện áp trên tụ chỉ bằng điện áp cung cấp, do đó điện áp đầu ra bị giới hạn

Trong luận văn này, một phương pháp điều chế mới được áp dung cho một cầu

hình được phát triển dựa trên bài báo được trình bay trong [32] dé tao ra bay/chin bac điện áp ở ngõ ra, trong đó được sử dụng một nguồn cấp duy nhất và hoạt động dựa

trên nguyên tắc chuyên mạch điốt tụ [33] Cầu hình đề xuất giúp giảm số lượng linh kiện bán dẫn cũng như giúp giảm số mạch điều khiển so với các cấu hình truyền

thống Ngoài ra, bộ nghịch lưu đề xuất chỉ cần bốn công tắc làm việc ở tần số cao,

trong khi với hai công tắc làm việc ở tần số thấp (50 Hz), giúp giảm thiêu những tôn thất chuyển mạch Với cấu trúc đơn giản giúp dễ dàng kiểm tra hư hỏng

Trang 2

Đê đạt được mục đích trên, đê tài có các nhiệm vụ sau:

Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc

Đề xuất cầu hình nghịch lưu một pha tăng áp đa bậc

Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp đa bậc

Tiến hành làm thí nghiệm trên mô hình bộ nghịch lưu tăng áp đa bậc đề xuất

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, mạch tăng

áp và các giải thuật điều khiển từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên

môn, các bài báo công bố trên thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital

IIEP2C5T144 đề điều khiển thực nghiệm mạch nghịch lưu tăng áp đa bậc đề

xuất

Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với các thiết bị đo hiện

đại, chính xác của hãng Tektromc, so sánh với kêt quả mô phỏng

Trang 3

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

1.5 Điểm mới của đề tài

Đề tài đã đề xuất một câu hình nghịch lưu mới nhằm sử dụng ít các khóa bán dẫn

hơn các câu hình nghịch lưu thông dụng, đồng thời khắc phục được các hạn chế trong việc tăng áp ngõ ra nhờ một mạch tăng áp được kết hợp vào bộ nghịch lưu

1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài

Đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), pin nhiên

liéu (fuel cell) hay dién gió, nơi mà cần chuyên đổi điện một chiều biên độ thấp thành

điện xoay chiều điện thế cao, hoặc dùng trong các nhà thông minh sử dụng pin năng

lượng mặt trời thay thế cho điện lưới khi mắt điện

Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện và điện tử,

đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất

Các kết quả nghiên cứu còn có giá trị đối với việc chế tạo thiết bị nghịch lưu áp

dùng trong lĩnh vực điều khiến động cơ điện, các thiết bị nguồn điện áp công suất lớn

và các ứng dụng khác liên quan đên năng lượng mới

Trang 4

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYET 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu

2.1.1 Khái niệm

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đôi năng lượng từ nguồn một chiều không đôi

sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiêu

Đại lượng được điều khiến ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ

nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng

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 đòng

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 chiêu, 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 chuyên mạch

tự nhiên Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều

khiển quá trình ngắt đòng điện

Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thê bị ngắt do

quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện ấp nguồn hoặc phụ thuộc vào

điện áp mạch tải Khi đó linh kiện bán dẫn có thê chọn là thyristor (SCR)

Trang 5

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất

lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một điốt mắc song song với nó Các điốt này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiến có chiều dẫn điện ngược

với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu điốt là tạo điều

kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiêu, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

2.1.3 Các cầu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng Có 3 dạng nghịch lưu đa bậc thông dụng:

e Dang diét kep (NPC — Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) e Dang kep tu (Flying Capacitor Multilevel Inverter)

e Dang ghép tang (Cascade inverter)

> Nghịch luu didt kep (NPC — Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)

Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một s6 cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nỗi tiếp Gia su mach nguồn DC gồm

n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thê đạt được (n+1) giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là (n+1) bậc

Trang 6

© Bộ nghịck lưu NPC Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng điốt kẹp cải tiến dạng

sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện ap trên linh kiện

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Hình 2.2: Câu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng tụ kẹp

* Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

o_ Khi tần số tăng cao thì không đùng bộ lọc

o_ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể

điều tiết được phân bồ công suất trong lưới dùng biến tan

o Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác Không như nghịch lưu đa bậc đạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân băng điện áp ba pha ở ngõ vào

$* Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

o_ Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

o_ Việc điều khiến khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao

Trang 8

> Dang ghép tang (Cascade inverter)

Str dung nhiéu nguén DC độc lập, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC

có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery Bộ nghịch lưu dạng cascade gồm nhiều bộ

nghịch lưu áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các nguôn DC riêng

o_ Tân số đóng cắt giảm so với NPC

o_ Điện áp đặt trên các linh kiện giảm (cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp)

Nhược điểm

o SO linh kiện sử dụng trong mạch vẫn còn nhiêu

+ So sánh số linh kiện sử dụng trong 3 dạng mạch nghịch lưu áp đa bậc thông dụng

Bang 2.1 so sanh số linh kiện được sử dụng trong bộ nghịch lưu một pha của 3

dạng nghịch lưu kê trên Ta thấy, số công tắc IGBT được sử đụng trong mỗi dang nghịch lưu cùng bậc là như nhau Điốt thì không cần trong đạng tụ kẹp và đạng ghép

tang, trong khi đó tụ điện không sử dụng cho dạng ghép tang

Trang 9

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Dựa vào bảng 2.1 ta thây sô lượng linh kiện ở dạng ghép tâng cascade là ít nhat

Tuy nhiên sỐ lượng linh kiện tham gia vào mạch vẫn còn nhiều Việc sử dụng nhiều

linh kiện trong mạch, đặc biệt là các khóa bán dẫn sẽ gây khó khăn cho việc điều khiển mạch nghịch lưu đa bậc và làm giá thành bộ nghịch lưu tăng cao

2.2 Nghịch lưu tăng áp truyền thống

Với các cấu hình nghịch lưu thông dụng thì điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ

hơn điện áp một chiều cung cấp Do đó muốn sử dụng nguồn một chiều điện áp thấp chuyên đổi thành điện áp xoay chiều điện áp cao thì phải thêm mạch tăng áp vào phía

\ /l

Trang 10

ngắt, cuộn dây L¡ giải phóng năng lượng qua điốt D tới tải thông qua bộ nghịch lưu

cầu H (7, 7, 7a, 72) trong thời gian /øzr Như vậy, thông qua việc điều khiến thời gian đóng ngắt của khóa bán dẫn Š%, năng lượng được tích trữ trong cuộn dây 7¡ sẽ làm cho điện áp ngõ ra của bộ biến đổi luôn luôn tăng cao hơn so với điện áp ngõ vào theo công thức:

1

1-D Trong do:

B là hệ số tăng áp của mạch

D= là hệ sô đặc trưng cho khoảng thời gian dân dòng qua khóa S1 hay còn

gọi là tỷ SỐ ngắn mạch, 7 là chu kì hoạt động của khóa ban dan SŠI

2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T

l

a 2» eo + L „„ € > D bè— ‘Ti K

Hình 2.5 mô tả cấu hình của mạch nghịch lưu một pha tăng áp 5 bậc hình 7, mạch

nghịch lưu bao gồm một nguồn cung cấp DC (ƒ„), một mạch tăng áp truyền thống

(L1, Si, D1) va m6t mạch nghịch lưu cầu #7 (7ì, 72, 75, 72), khóa bán dẫn Š¡ được điều

khiến để tăng điện áp ngõ vào nhờ đặc tính lưu trữ năng lượng của cuộn day Li, hai tu Ci, Ca tạo ra hai nguôn độc lập cấp cho mạch nghịch lưu, bén didt (Di, D2, D3, Da)

và khóa %› được thêm vào giữa bộ nghịch lưu cau H nhằm chia đôi điện áp của nguồn

cung cấp Hoạt động của bộ nghịch lưu này được đơn giản trong 6 trạng thái hoạt

động được minh họa ở hình 2.7

Trang 11

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

2.2.1 Phương pháp điều khiến của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T Hình 2.6 trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu tăng áp

5 bậc hình 7, trong đó sử dụng một sóng điều khiển (c;) có biên độ 41m, hai sóng tam

giác hay còn gọi là sóng mang (e1, é;) có chu kì 7¿ và tần số ƒ lớn gấp nhiều lần tần số sóng điều khiến So sánh sóng điều khiển và sóng mang, ta được các tín hiệu đóng ngắt trên các khóa bán dẫn Một đường thăng en có giá trị không đổi được so sánh với sóng mang e; để tạo tín hiệu đóng ngắt cho khóa Si

Hình 2.6: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bac hình T

Giả định dung lượng và điện áp trên hai tu C1, C2 1a bang nhau, ta có:

Trong đó:

B là hệ số tăng áp của mach D là tỷ số ngắn mạch

cì và ca tương ứng cho điện áp trén tu Ci va C2

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5Š bậc hình T

Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 5 bậc hình T được thể hiện trong hình 2.7 Hoạt động của mạch bao gồm 2 trạng thái dương, 2 trạng thái âm và 2 trạng thái không Trong bán kỳ dương, điện áp ngõ ra là ƒc và 2c tương ứng với trạng thái 3 và 5 như trong hình 2.7 (c), (e) Trong bán kỳ âm, điện áp ngõ ra là - ƒc và -2 ƒc tương ứng với trạng thái 4 và 6 như trong hình 2.7 (d), (f) Trạng thái không, điện áp ngõ ra là 0 tương ứng với trạng thái 1, 2 như trong hình 2.7 (a), (b) Hoạt động của mạch

được mô tả như sau:

Trạng thái 1 [hình 2.7(a)]: Trong trạng thái này, khóa 7z dẫn, điốt của khóa 7› phân cực thuận Điện áp ngõ ra ở trạng thái này 1a Vay = 0

Trạng thái 2 [hình 2.7(b)]: Trong trạng thái này, khóa 7: dẫn, điốt của khóa 74 phân cực thuận Điện ap ngõ ra ở trạng thai nay 1a Vab = 0

Trạng thái 3 [hình 2.7(c)]: Trong trạng thái này, khóa 5% dẫn, điốt D\, 24 phân cực thuận, tụ C2 cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trang thai nay 1a Vay = Ve Trạng thái 4 [hình 2.7(đ)]: Trong trạng thái này, khóa S› dẫn, điốt D;, Da phân cực thuận, tụ C¡ cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vav = -

Ve

Trang thai 5 [hinh 2.7(e)]: Trong trang thai nay, khéa 71, 7¿ dan, tu Ci, C2 mắc nối

tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là W2» = 2Vc Trạng thái 6 [hinh 2.7(f)]: Trong trạng thái này, khóa 7›, T3 dan, tu Ci, Co mac néi tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trang thai nay 14 Vab = -2Vc

Trang 13

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Các trang thái hoạt động của bộ nghịch lưu được tóm tắt trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T

2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyền điốt tụ điện

Cấu hình một pha tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện được mô tả trong hình 2.8, mạch nghịch lưu bao gồm một nguồn cung cấp DC (Ƒ¡), một mạch tăng áp truyền

thống (Lì, S1, Do), một mạch chuyển điốt tụ điện (S2, Ci, Di, C2, D2) va mét mach nghịch lưu cầu H (Thì 72, 7a, 72) Điện áp ngõ ra được tăng cao dựa vào hoạt động

của khóa bán dẫn SŠ¡ và khả năng tích trữ năng lượng của cuộn đây L¡ Số bậc điện áp ngõ ra được tăng thêm nhờ vào hoạt động của khóa bán dẫn $% Hoạt động ở bán kỳ

dương của bộ nghịch lưu được đơn giản trong 5 trạng thái hoạt động được minh họa

ở hình 2.11

Nguyên tắc của cấu trúc chuyển điốt tu dién (switched-diode-capacitor: SDC)

Khi khóa Š chính dẫn, đit D:, D; phân cực ngược, đồng thời tụ C¡ nối tiếp tụ C›

xả điện, khi S ngắt, điết Dị, D; phân cực thuận làm cho tụ C) và Ca mắc Song song Điện áp tăng lên thu được từ việc các tụ C¡ và C› xả điện trong trường hợp mắc nối tiếp và nạp điện trong trường hợp mắc song song như minh họa ở hình 2.9

Hình 2.9: Cầu trúc và trạng thái của mạch chuyển điốt tụ điện

Trang 15

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

(a) Cấu trúc mach chuyển điốt tụ điện (b) Khóa S dẫn, tụ C¡, C› xả điện nối tiếp (c)

Khóa Š ngắt, tụ C¡, C› xả điện song song (đ) Khóa S ngat, tu Ci, C2 nap song song 2.3.2 Phương pháp điều khiến của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyền điót tụ điện

Hình 2.10 trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện, trong đó sử dụng một sóng điều khiển (e;) có biên độ Am, ba song mang (e1, e2, e3) có tần số lớn hơn gấp nhiều lần tần số sóng điều khiển So sánh sóng điều khiến và sóng mang, ta được các tín hiệu đóng ngắt trên các khóa bán dẫn Một đường thăng ea có giá trị không đổi được so sánh với sóng mang e dé tạo tín hiệu đóng ngắt cho khóa S$}

"NETTRATTTNNTNNWPTHMYNN

s 1nnInIninIiInnII0IIniIllIIInIIII0IlII0Il, s[j IHUUUIE ! HE !;

Hình 2.10: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng ap 5 bậc hình T

Gia dinh tu Ci, C2 co gia trị bằng nhau và mạch chuyến điốt tụ điện là đối xứng và cân băng, từ đó suy ra:

Trang 16

C=C, =C, VU, =, =e (2.4)

Trong đó: Vci va Vc2 1a dién ap trén tu Ci, C2

Các phân tích dưới đây dựa trên giả định rằng điện áp tụ điện là không đổi 2.3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyến điốt tụ điện

Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ trong bán kỳ dương được thê hiện trong hình 2.11 Hoạt động của mạch bao gồm 3 trạng thái dương và 2 trạng thái không Trong bán kỳ dương, điện áp ngõ ra là Ức và 2c tương ứng với trạng thái 3-4, 5 như trong hình 2.1 1 (c-d), (e) Trong bán kỳ âm, điện áp ngõ

ra là -2Ƒc và -Fc tương tự trạng thái 3-4, 5 Lúc này 72, 7› dẫn còn 71, Ts ngắt Trạng

thai không, điện áp ngõ ra là 0 tương ứng với trạng thái 1-2 như trong hình 2.11 (a-

b) Hoạt động của mạch được mô tả như sau:

Trạng thái 1 [hình 2.11(a)]: Trong trạng thái này, khóa Š dẫn Cuộn dây Li duge tích trữ năng lượng từ nguồn và dòng qua Li tăng tuyến tính, khóa 74 dẫn, điốt của khóa 7› phân cực thuận Điện áp ngõ ra ở trạng thái này 1a Vay = 0

Trạng thái 2 [hình 2.11(b)]: Trong trạng thái này, khóa Si ngat Tu Ci, C2 duoc nạp năng lượng từ nguôn và cuộn day Li théng qua diét Do, D1, D2 Trong khi dé, khoa 74 dan, diét cla khoa 7> phan cyc thuan Dién ap ngo ra 6 trang thai nay 1a Vap =0

Trạng thái 3 [hình 2.11(c)]: Trong trạng thái này, khóa Š dẫn Cuộn day Li duge tích trữ năng lượng từ nguồn và dòng qua ⁄¡ tăng tuyến tinh Cac tu Ci, Co mac song song cung cấp năng lượng cho tải thông qua khóa 7¡, 74 Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vab = Ve

Trạng thái 4 [hình 2.11(đ)]: Trong trạng thái này, khóa Š¡ ngắt Năng lượng từ nguồn và cuộn dây Li nap nang luong cho tu C1, C2 théng qua didt Do, Di, D2 dong thời cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trang thai nay 1a Vay = Ve

Trạng thái 5 [hình 2.11(e)]: Trong trạng thái này, khóa S¡, S› dẫn đồng thời Cuộn dây L: được tích trữ năng lượng từ nguồn và dòng qua 7¡ tang tuyén tinh Cac tu Ci,

Trang 17

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Hình 2.11: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ đương của

mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện

(a) Trạng thái 1, (b) Trạng thái 2, (c) Trạng thái 3, (d) Trang thai 4, (e) Trang thai 5

Các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu được tóm tắt trong bảng 2.3 Bảng 2.3: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tắng áp 5 bậc chuyển điốt tụ

2.4 Nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện

Cau hình một pha tang ap 5 bac chuyén didt tu dién duoc mé ta trong hinh 2.12, mạch nghịch lưu bao gồm một nguồn cung cấp DC (Vin), hai mach chuyén tụ (5%, %2,

D1, C2— %3, 5%, Da, C;) và một mạch nghịch lưu cầu (7ì, 7a, T3, Ts) Cac tu Ci, Co được nạp điện khi %, %4 dẫn và xả điện khi S1, S2 dẫn Hoạt động ở bán kỳ dương của bộ nghịch lưu được đơn giản trong 4 trạng thái hoạt động được minh họa ở hình 2.15

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

2.4.1 Câu trúc chuyền tụ điện (SC)

Nguyên tắc của cấu trúc chuyển tụ điện (switched-capacitor: SC)

Khi khóa P dẫn, điốt D phân cực thuận, tụ C song song với nguồn Khi khóa P

ngắt, S dan, diét D phan cực ngược làm cho tụ C mắc nối tiếp với nguồn Điện áp tăng lên thu được từ việc tụ C nạp điện trong trường hợp mắc song song và xả điện trong trường hợp mắc nối tiếp Cần lưu ý là khóa P và Š hoạt động đối lập nhau, tức là khi P dẫn thì ,S ngắt và ngược lại Nếu không, hiện tượng ngắn mạch sẽ xảy ra với

nguồn Trạng thái hoạt động của cấu trúc được minh họa ở hình 2.13

Hình 2.13: Câu trúc và trạng thái của mạch chuyển tụ điện

(a) Câu trúc chuyền tụ điện, (b) Khóa P dẫn, tụ C được nạp điện, (c) Khóa $Š dẫn, tụ C xả điện

2.4.2 Phương pháp điều khiến của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện Hình 2.14 trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu 7 bậc chuyên tụ điện, trong đó sử dụng một sóng điều khiến (e;), ba sóng mang (e, é›, 3) có tần số lớn hơn gấp nhiều lần tần số sóng điều khiển So sánh sóng điều khiến và sóng mang, ta được các tín hiệu đóng ngắt trên các khóa bán dân

Trang 20

> T ”

i

| | | I

1

I |

21 [L ~~ x © 10 r

Hình 2.14: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyền tụ điện

Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ trong bán kỳ dương được thể hiện trong hình 2.15 Hoạt động của mạch bao gồm 3 trạng thái dương và 1 trạng thái không Trong bán kỳ dương, điện áp ngõ ra là fc, 2Fc và 3c tương ứng với trạng thái 2, 3, 4 như trong hình 2.15 (b), (c), (d) Trong bán kỳ âm, điện áp ngõ

ra là -Ƒc, -2Ƒc và -3ƒc tương tự trạng thái 2, 3, 4 Lúc này 72, 7› dẫn còn 71, 74 ngắt

Trạng thái không, điện áp ngõ ra là 0 tương ứng với trạng thai 1 như trong hình 2.15 (a) Hoạt động của mạch được mô tả như sau:

Trang 21

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Trạng thái 1 [hình 2.15(a)]: Trong trạng thái này, khóa $2, S4 dan, tu Ci, C2 duoc

nạp năng lượng từ nguồn thông qua điốt Dị, Dạ Khóa 74 dẫn, điốt của khóa 72 phân cực thuận Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vap = 0

Trạng thái 2 [hình 2.15(b)]: Trong trạng thái này, khóa S2, %4 dẫn, tu Ci, Ca được nạp năng lượng từ nguồn thông qua điốt D¡, D› đồng thời nguồn điện cung cấp năng lượng cho tải thông qua khóa 7ì, 74 Điện áp ngõ ra 6 trang thai nay 1a Vab = Vin

Trạng thái 3 [hình 2.15(c)]: Trong trạng thái này, khóa Š% dẫn, điốt D¡ phân cực ngược, tụ C¡, C2 mac song song đồng thời nối tiếp với nguồn cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Wap = 2 Vi

Trạng thái 4 [hình 2.15(đ)]: Trong trang thai nay, khdéa Si, 53 dan, diét D1, D2 phan cực ngược, tụ C¡, C› và nguồn mắc nối tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngo ra 6 trang thai nay 1a Vab = 3 Vin

mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện

(a) Trang thai 1, (b) Trạng thái 2, (c) Trạng thái 3, (d) Trạng thái 4

Các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu được tốm tắt trong bảng 2.4

Trang 22

Bảng 2.4: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện

STT Khóa bán dẫn và điết hoạtđộng | Tụ Ci, Co Dien ap ngõ ra

Trang 23

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Chương 3

CAU HINH NGHICH LUU MOT PHA TANG AP

DA BAC (BE XUAT)

3.1 Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp đa bậc

Phát triển từ cầu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyền điốt tụ điện Hình 3.1 chỉ ra câu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc đề xuất Trong đó gồm một nguồn điện cung cấp DC (Ƒ¡), một mạch tăng áp truyền thống (+, Š¡, Do), một mạch chuyển điốt tụ

dién SDC (S2, Ci, D1, C2, D2), mot mach chuyén tu dién SC (83, C3, D3, S4) va mach

nghịch lưu cầu ; (7ì, T2, T›, 74) Ngõ ra gắn mach loc (Ly Cf) và một tải tro (R) Giá

trị điện áp đạt được từ mạch tăng áp là Vp, dién ap va dong điện ngé6 ra 1a io, Vab Điện

áp ngõ ra ở mỗi bậc được tăng cao dựa vào hoạt động của khóa bán dan S va kha

năng tích trữ năng lượng của cuộn dây 7¡ làm cho điện áp trên mỗi tụ cao hơn điện

áp nguồn cấp Số bậc điện áp ngõ ra có được nhờ vào hoạt động của khóa bán dẫn $2, 53, 94

Hình 3.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu tăng áp đa bậc (Đề xuất)

Phương pháp điều khiển để tạo ra bảy hoặc chín bậc điện áp ngõ ra được áp dụng trên cùng một cầu hình đề xuất Hai phương pháp điều khiển này sẽ được trình bày ở phân tiếp theo với tên gọi: phương pháp điều khiến tạo 7 bậc điện áp ngõ ra và phương

pháp điều khiến tạo 9 bậc điện áp ngõ ra

Trang 24

3.2 Phương pháp điều khiến tạo 7 bậc điện áp ngõ ra 3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc

Hình 3.2 trình bày phương pháp điều chế độ rộng xung tạo 7 bậc điện áp ngõ ra cho câu hình đề xuất, trong đó sử dụng một sóng điều khiến (e:) có biên độ là 4m, ba sóng mang (ei, é›, 3) có tần số #4 và chu kì 7s So sánh sóng mang và sóng điều khiển ta được tín hiệu đóng ngắt trên các khóa bán dẫn

LLÍSSSE2S2t 2y PAgtttvttrttrseterntrreeoiEooersy Ane,

2 “er aa A gy em a a ae KV maine NATTY x

Hình 3.2: Giản đồ xung cho bộ nghịch lưu đề xuất với 7 bậc điện áp ngõ ra

Một đường thăng ea có giá trị không đối được so sánh với sóng mang e; để tạo xung điêu khiên cho khóa $1, xung điêu khiên này còn được gọi là xung ngắn mạch

Trang 25

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

Xung ngắn mạch được tạo ra có độ rộng xung luôn lớn hơn độ rộng xung của xung điều khiển cho khóa % (en> 4m) Khi độ rộng xung Š¡ lớn hơn ®%, thời gian ngắn mạch được xác định bằng thời gian hoạt động của S1, nhờ đó việc tính toán hệ số tăng áp trở nên đơn giản hơn

3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu đề xuất được đơn giản hóa trong các trạng

thái ngắn mạch và không ngắn mạch Trong trạng thái ngắn mạch như trong hình 3.3 (a), (c), (e), (g) mach nghịch lưu được ngắn mạch bởi khóa S¡, lúc này cuộn đây Li được nạp năng lượng Tổng thời gian cuộn dây Li duoc nạp năng lượng là: D.T: Trạng thái không ngăn mạch như trong hình 3.3 (b), (đ), (0 Khóa bán dẫn Š¡ ngắt, tổng thời gian trong trạng thái này là (1 — D).7s Trong đó, 7; là thời gian của mỗi chu kỳ sóng mang, D là tỷ số thời gian ngắn mạch trong mỗi chu kỳ sóng mang va được

xác định băng điêu kiện sau:

Với giả định, điện ap trên các tụ là bằng nhau, ta có:

Trong đó:

Vci, Vca, Vca lần lượt là điện áp trên tụ C¡, Ca, Œa

Điện áp trên cuộn day L: trong trạng thái ngắn mạch là :

Trong đó:

Trang 26

B là hệ số tăng áp của mạch nghịch lưu

Điện áp ngõ ra trên tải được xác định như sau:

Trong đó:

fou là tần số điện áp ngõ ra

Nguyên lý hoạt động trong bán kỳ dương của mạch nghịch lưu đề xuất sử dụng

phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc được thể hiện trong hình 3.3 Hoạt động

của mạch bao gồm 5 trạng thái dương và 2 trạng thái không Trong bán kỳ dương, điện áp ngõ ra là Ức, 2c và 3c tương ứng với trạng thái 3-4, 5-6, 7 như trong hình 3.3 (c-d), (e-Ð, (ø) Trong bán kỳ âm, điện áp ngõ ra là -Vc, -2Vc va -3Vc tuong ty

trạng thái 3-4, 5-6, 7 Lúc này 7›, 7: dẫn còn 71, 74 ngắt Trạng thái không, điện áp

ngõ ra là 0 tương ứng với trạng thái 1-2 như trong hình 3.3 (a-b) Hoạt động của mạch

được mô tả như sau:

Trạng thái 1 [hình 3.3(a)]: Trong trạng thái này, khóa $¡ dẫn Cuộn dây Li duoc tích trữ năng lượng từ nguồn va dong qua Li tăng tuyến tính, khóa 74 dẫn, điốt của khóa 7› phân cực thuận Điện áp ngõ ra ở trạng thái này 1a Vay = 0

Trạng thái 2 [hình 3.3(b)]: Trong trạng thái này, khóa Š¡ ngắt Tụ C1, Ca được nạp năng lượng từ nguồn và cuộn dây L¡ thông qua điốt Do, D, D; Tụ C› được nạp năng lượng thông qua khóa ,S% và điết D› Trong khi đó, khóa 74 dẫn, điết của khóa 7› phân cực thuận Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Vay = 0

Trạng thái 3 [hình 3.3(c)]: Trong trạng thái này, khóa $¡ dẫn Cuộn dây Li duoc tích trữ năng lượng từ nguồn và dong qua Li tang tuyén tinh Cac tu Ci, C2 mac song song cung cấp năng lượng cho tải thông qua điốt Da và khóa 71, 74 Điện áp ngõ ra ở trạng thái này la Va» = Vc

Trạng thái 4 [hình 3.3(đ)]: Trong trạng thái này, khóa Š¡ ngắt Năng lượng từ nguồn và cuộn dây L¡ nạp cho tu Ci, C2 théng qua didt Do, D1, Da đồng thời cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là Va» = Vc

Trang 27

LUẬN VĂN TÔT NGHIỆP

(g)

Hình 3.3: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện của mạch nghịch lưu khi sử

dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc

(a) Trang thai 1, (b) Trang thai 2, (c) Trang thai 3, (d) Trang thai 4, (e) Trang thai 5, (f) Trang thai 6, (g) Trang thai 7

Trang thai 5 [hinh 3.3(e)]: Trong trang thai nay, khéa Si, S3 dan Cuén day Li được tích trữ năng lượng từ nguồn Tụ C¡, C; làm việc song song đồng thời nối tiếp với tụ C› cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trang thai nay 14 Vap = 2Vc

Trạng thái 6 [hình 3.3(0]: Trong trạng thái này, khóa Š¡ ngắt, S3 dan Tu Ci, Co được nạp năng lượng từ nguồn, đồng thời nguồn được mắc nối tiếp với tụ C› cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra 6 trang thai nay la Vay = 2Vc

Trạng thái 7 [hình 3.3(g)]: Trong trạng thái này, khóa S1, Sa, S dẫn Cuộn dây r¡ được tích trữ năng lượng từ nguồn Tụ C¡, C2, C› mắc nỗi tiếp nhau cung cấp năng lượng cho tải Điện áp ngõ ra ở trạng thái này là ƒạs = 3c

Các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu được tốm tắt trong bang 3.1

Trang 28

Bảng 3.1: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu đề xuất sử đụng phương pháp điêu chê độ rộng xung 7 bậc

STT | Khéa ban dan va diét hoat déng | TụCi,C;| Tục; | Điệnắp

ngo ra