Luận án tiến sĩ Thiết bị điện: Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc

TÓM TẮT LUẬN ÁNNội dung chính của luận án là nghiên cứu dé xuất các giải thuật điều chế độ rộngxung tối ưu dé giảm tôn hao do chuyên mach trong mạch nghịch lưu đa bậc, nhằm gópphan đáp ứ

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHÔ HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

QUÁCH THANH HẢI

NGHIÊN CỨU KY THUAT DIEU CHE ĐỘ RỘNG XUNG

DIEU KHIEN TOI UU NGHỊCH LƯU ĐA BAC

LUAN AN TIEN SI KY THUAT

TP.HO CHI MINH- 2014

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHÔ HO CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

QUÁCH THANH HẢI

NGHIÊN CỨU KY THUAT DIEU CHE ĐỘ RỘNG XUNG

DIEU KHIEN TOI UU NGHỊCH LƯU ĐA BAC

Chuyén nganh: Thiét bi diénMã số chuyên ngành: 62525001Phản biện độc lập 1: PGS.TS Lê Thành Bắc.Phản biện độc lập 2: TS Phùng Anh Tuấn

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm

Phản biện 2: PGS.TS Quyền Huy Ánh

Phản biện 3: PGS.TS Lê Minh Phương

NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYEN VĂN NHO2 PGS.TS PHAN QUOC DUNG

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận án là trung thực và không sao chép từbat kỳ một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nao Việc tham khảo tài liệu đã đượcthực hiện trích dẫn và ghi nguôn tại liệu tham khảo đúng theo yêu câu

Tác giả luận án

Quách Thanh Hải

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Nội dung chính của luận án là nghiên cứu dé xuất các giải thuật điều chế độ rộngxung tối ưu dé giảm tôn hao do chuyên mach trong mạch nghịch lưu đa bậc, nhằm gópphan đáp ứng nhu cau tiết kiệm năng lượng trong tinh hình hiện nay va đảm bảo khốngchế các phát sinh không mong muốn trên mạng điện như sự tăng độ méo hài tổng

(THD), biên độ điện áp common mode

Trên cơ sở nghiên cứu, luận án đã dé xuất 6 giải thuật điều chế độ rộng xung vớihàm mục tiêu tối ưu khác nhau Trong đó ba giải thuật tối ưu nhăm giảm tổn hao và saibiệt điện áp điều khiến là cực tiểu, hai giải thuật tối ưu để triệt tiêu điện áp commonmode và sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu, một giải thuật có tính chất phối hợp dékhống chế sai biệt điện áp điều khiến nhỏ nhất và tối ưu giảm tổn hao

Cả 6 giải thuật đã được phân tích, tính toán, xác định các đặc điểm riêng củachúng và được kiểm chứng qua mô phỏng va thực nghiệm

Đặc điểm của các giải thuật dé xuất là chúng được xây dựng trên các hàm toản

học không phức tạp Đặc biệt do không sử dụng bảng tra nên các giải thuật trên khôngchiếm nhiều bộ nhớ và có thé áp dụng cho nhiêu cấu trúc nghịch lưu khác nhau Vìvậy khả năng áp dụng các giải thuật này trong thực tế là rất cao

The aim of this thesis is to develop various optimal pulse-width modulation

algorithms to reduce switching losses in the multi-level inverter, thereby contributing

to meeting the current need to improve energy efficiency and helping to minimize

potential undesirable problems arising on electrical power systems, such as an increase

in total harmonic distortion (THD) and common-mode voltage.

Based on the findings, the thesis proposed 6 pulse-width modulation algorithms

with different optimal objective functions: three to reduce switching losses and

minimize control voltage difference, two to eliminate common-mode voltage and

minimize control voltage difference, and one hybrid algorithm to control the smallest

voltage difference and reduce switching losses.

All six algorithms have been designed, analyzed, tested and verified by

simulations and experiments Their distinctive properties have also been determined.

The merit of the proposed algorithms is that they are based on uncomplicated

mathematical functions In particular, not having to use reference tables means that

they do not take much memory and can be applied to many different structures of

inverter As such, their practical applicability is very high.

LOI CAM ON

Công trình nghiên cứu này được hoàn thiện là nhờ sự giúp đỡ tận tinh và phốihợp của nhiều cơ quan, don vị, các cơ sở sản xuất, các đồng nghiệp va bạn bè Tác giảluận án bay tỏ lời cảm ơn chân thành tới tất cả các tô chức va cá nhân đã giúp đỡ vàtạo điều kiện cho tác giả hoàn thành công trình nghiên cứu của mình

Trước hết tôi xin gửi đến Ban lãnh đạo Dai học Quốc gia Tp.Hồ Chi Minh, Ban

giám hiệu trường Đại học Bách khoa, phòng Đào tạo sau Đại học, Khoa Điện — Điệntử, Bộ môn Cung cấp điện, và Bộ môn Thiết bị điện sự kính trọng và lòng tự hào được

học tập nghiên cứu tại đây trong những năm qua.

Sự biết ơn sâu sắc nhất xin được dành cho: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ,PGS.TS Phan Quốc Dũng là hai người thầy hướng dẫn tận tình và động viên tôi trong

suốt quá trình thực hiện luận án Xin cảm ơn các thây, cô Bộ môn Cung cấp điện,

Khoa Điện — Điện tử, đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện thành

công luận án.Xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Dai hoc Sư phạm Kỹ thuật thành phố HồChí Minh, các cô, thây thuộc Khoa Điện — Điện tử và các đồng nghiệp trong trường đãtạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt luận án

Đặc biệt cảm ơn em và gia đình đã tạo mọi điều kiện giúp anh thực hiện và

hoàn thành luận án.

Cuối cùng xin được ghi nhớ tình cảm và sự giúp đỡ âm áp của các các anh chịem trong phòng thí nghiệm Hệ thông năng lượng, các bạn nghiên cứu sinh, cao họcnhững người luôn hỗ trợ, chia sẻ, động viên và tạo điều kiện giúp đỡ để hoàn thiện

công trình nghiên cứu này.

Oo ñ Oo ——

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5 2522 212212212212211211212212 1122112212211 ryu |

Mục tiêu của luận Ane ieee ccc ccccccececcecceccccuceceeccccccueeececeeccuteceececsesuteeeeeeesrseececeeseasteeeses 2Nội dung và phạm Vi nghiên CỨU - 2 2 11222211 11111111 1111112121111 15201 1111112111111 3Phương pháp nghiên cứu 2.1 1222221111111 11111521111 1111021 1111111211111 n ng 1k k ng k ke 3

Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án 2 TT E5 HH 4Ý nghĩa thực tiễn - c1 E51 1 1121111115211115115 11115151111 1 2t tnn HH HH HH HH rung 4Bồ cục CUA UA AN 8 ố ốố ẻ ẻẻ 4

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE NGHỊCH LƯU ĐA BẠC 5G SE re 61.1 Mach nghịch lưu 2 bậc L2 cece ececceeeeeseceeeeeeseceeaeeesecetstteeeensteeeeeenees 6

1.2 Nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp -.- 5-5 S21 1211512115151112111 1E tt tr re 81.3 Nghịch lưu da bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter) scccsccsss2 111.4 Nghịch lưu da bậc kiêu lai (Hybrid mutilevel inverter) 0.0.0.ccccccceccscscseesesteeeeeeeees 151.4.1 Nghịch lưu da bậc kiểu cascade diode PP cece ceteeeteeeeneneteeeens 151.4.2 Nghịch lưu da bậc kiểu cascade cẩu H oocccccccccccccccccccccesccevesesesesesesevevevevevevevevees 1715 — Kết luận chương Ï i2 2111 111121111111111 11112 TH HH HH tr 19CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DIEU CHE TRONG NGHỊCH LƯU ĐA BAC 202.1 Phuong pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM) S c n1 E1 eyên 202.2 Phuong pháp PWM cải biến (SFO-PWM!) ĐẶ S2 1 1 121111012 xe 232.3 Phương pháp điều chế vector không gian 2S E1 111512111151515111151E5E 1E E1 txee 252.4 Cac nghiên cứu về giải thuật tôi ưu trong nghịch lưu đa bậc -s-sszsszs5 28CHƯƠNG 3: THIẾT KE MÔ HÌNH THUC NGHIỆM - 2-52 22 22222221221121121122xxee 323.1 Câu trúc mô hình nghịch Ïưu c1 2222221111 112211 111151511111 152111 111112011111 này 323.2 Module cầu H và mạch lái - 2T TT T11 15 1 5n HH HH Hy 343.3 Module nguôn chỉnh lưu -. tt S121 53531551551515151111122181111E T111 EE T1 tàn 383.4 _ Kết quả chương 3 - 2 SE 1 121111211111 11111151111 E122 1E HH HH tàn 42CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYỂNMACH VÀ CUC TIỂU SAI SO VECTOR DIEU KHIỂN - 2-5522 2222222222222222256 44

4.1 — Giải thuật một vector cực tiêu sai số vector điều khiển 522 3 TS Ea 444.1.1 Nguyen Ly BiGi thud 8n 444.1.2 Lưu đồ giải thuẬt ST TH TH HH HH HH tu 474.1.3 Khao sat va ddnh Bid BiGi thud 000 e cece teat eee aetenseeennes 484.2 Giai thuật hai vector với sai biệt điện áp điều khiển là cực tiểu csss 584.2.1 Nguyen Ly BiGi thud 88 nn58.8aBRẦA 594.2.2 Lưu đồ giải Udit ooo eccceccccccccccccccececesesvereseseeverssesvsvesessavereseesevereeseveusreeveveeeeeee 624.2.3 Khao sát và đánh giá giải tHUẬI ccc SS v1 vn vn vệy 64

4.3 — Giải thuật ba V€CẨOT ccc cccecececccccecucceececeecueeeeececscseeeseceeerseeececeeearanneeess 70

4.3.1 Nguyen Ly BiGi thud 8n 714.3.2 Lưu đồ giải thUGit ooo cccccccccccccccccvsceceseevevsseseeverseesvsvesessavsrsesavsvereeveveusreevaveeeseee 734.3.3 Khao sát và đánh giá giải tHUẬI ccc SS v1 vn vn vệy 744.4 Kết luận chương 4 s S111 122111 1112811 tt HH HH Huệ 78CHƯƠNG 5: GIẢI THUAT DIEU CHE TOI UU GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN

MACH, TRIET TIEU ĐIỆN AP COMMON MODE, CỰC TIỂU SAI SO ĐIỆN AP DIEU

5.1 Khai niệm về điện áp COMMON mode - cece cee 211122122211 11 11558511111 15881 1x re S0

5.2 _ Giải thuật một vector triệt tiêu điện áp common mode ¿¿ c cece cece 82

HA 5 ann6 6Á 825.2.2 Lưu đồ giải tht ooo cece ccccscccesesecseseesescesesessesvsseeesvssssvsecistisststsivivsessvsteevtees 855.2.3 Khảo sát và đánh giá giải thu À ccc 12 1111111121111 11111111111 k kg 87

5.3 Giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode và giảm tốn hao 95S31 Nguyen IY Sidi thu an 955.3.2 Lưu đồ giải thuẬt ST nh HH HH tre 1005.3.3 Khảo sát và đánh giá giải thHẬI ccc 111111112 11111111 1111112 1k ru 1005.4 Kết luận chương § sS n1 1E TT ng HT HH tường 106CHƯƠNG 6: GIẢI THUAT PHOI HỢP GIAM TON HAO DO SỰ CHUYEN MẠCH VÀKHONG CHE SAI BIỆT ĐIỆN ÁP DIEU KHIÉN Ẳ- 2222225518555 81155 812522 nree 107

6.1 Nguyên lý giải thuật Q2 2111111222111 1111121 11111111111 xnxx na 107

6.2 Lưu đô giải thuật 1 S2 1v 122111 11121111 1111111 2 1 HH HH re 111

6.3 Khao sát và đánh giá giải thuật 5L C21111 1222211111112 11111152 1111k 113

6.4 Kot luận chương 6 2.2.2 1 1 121111 11121111 1E 1 E121 HH HH tre 125KET LUẬN VA DE NGHỊ 2Ä 2151155111155 111 5112511221 12122 se 126DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CUA TÁC GIẢ 222221111255 11 1551112125 reee 129TÀI LIEU THAM KHẢO - 2S 32315215515 5551 15555115551 1211 12111252125 se 130

DANH MỤC CÁC HÌNH ANH

Hình 1.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc (a) va 1 pha câu H (b) -s- S221 2E2E512E2EEx 2x 6Hình 1.2: Mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc + 1s 2121 SE111151212511212111 2121k 9Hình 1.3: Mach nghịch lưu kiểu diode kẹp 5 D&C cccccsccsccscscssesessesessesesssevsrsevsvsecevsseeseeeeees 10Hình 1.4: Câu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc cece 2122211111 11221 1111152111111 1n k tr Hàu 12Hình 1.5: Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade diode SA cece cece ccneceeccnteteeecensteteeennneeens 16Hình 1.6: Cau trúc 1 pha mach nghịch lưu CMH a) tổng quát; b) CMH 5/30 18Hình 2.1: Nguyên ly điều chế độ rộng xung sinPWM 5S 221121121112 errre 20Hình 2.2: Cách bồ trí sóng mang a) cùng pha, b) dich pha, c) đối xứng qua trục z 21Hình 2.3: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế siINPWM 0 cccccccscsceseseeeeseeeseeeeees 22Hình 2.4: Điện áp common mode trên nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế sinPWM 23Hình 2.5: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM s25 se 24Hình 2.6: Điện áp Vem mạch nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM 2s 24Hình 2.7: Mạch nghịch lưu NPC 3 bậc (a) va vector không gian của nó (b) 25Hình 2.8: Phân tích phương pháp SVM 000022201 1111112211 1111120111111 1 201111 n1 g1 k1 gày 26Hình 2.9: Quan hệ THD% và tốn hao 1 S2 121951511115151511111211111111 211111111 ren 29Hình 2.10: Quan hệ THD% và số bậc, quan hệ fc va tôn hao nghịch lưu chuẩn và lai 29Hình 2.11: Giải thuật Rodriguez nghịch lưu 5 bậc - 2 E2 2222212112221 1111115151111 mg 30

Hình 3.1: Câu trúc mô hình nghịch lưu được thiết kế trong luận án 222cc eee 33Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ly mạch kích IGBT - 5 1 E121 212211121111212211E E1 tre 35Hình 3.3: Dòng điện nạp và xả tu mạch dead time khi điện áp điều khiển [0] — [1] 35Hình 3.4: Điện áp ra tại chân 8 (V8) va chân 2 (V2) mạch deadtime theo điện áp điều khiển(Vịp1) khi điện áp điều khiển [1] — [Ö] -. - 5-5-2122 2E2E2E12EE111121111 212212 tt 37Hình 3.5: Sơ đồ mạch in module câu H và mạch kích cccteeeiererrrerre 38Hình 3.6: Mạch chỉnh lưu cho module cầu H (a) và cho mạch kích (b) - -scsszsszs 39Hình 3.7: Mô phỏng điện áp chỉnh lưu (Vạ) và điện áp trung bình của nó AVG(Vạ) khi gan tải"2.9.2 c cece cece eee e ee eee cee eee e cba eecLEE Ec sae SLES SbiEES CEES GGES Eat EDdEESiGaEStiatecuteeiaateneeeeaey 40Hình 3.8: Sơ đồ mach in khối nguôn chỉnh lưu - + 2 SE E123 E9E3EE2EEEEEEESEEEEEEEEEEEErEErsxee 41Hình 3.9: Mô hình nghịch lưu sau khi hoàn thiện 2 2 2222211211355 1111 115851111115 562 42

Hình 4.1: Điện áp điều khiển, giản đỗ thời gian chuyên mach trong nghịch lưu da bac 45Hình 4.2: Mô ta giải thuật 1 vector cực tiêu sai sô điện áp điều khiển cac 46Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật 1 vector cực tiêu sal sô điện áp điều khiển -sccszxcse2 47Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật | vector cực tiểu sai số điện áp điều khiến (tiếp theo) 48Hình 4.5: Điện áp điều khiển theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai SỐ -2-cc 22tr 49Hình 4.6: Kết quả mô phỏng nghịch lưu theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điềukhiển tại m=0.9 á 0 21 212211221021122111112 1121111121212 11121 raa 50Hình 4.7: Khao sát nghịch lưu 3 pha 5 bậc và 31 theo giải thuật 1 vector 50Hình 4.8: Khảo sát tiêu chí méo hài tổng đến hài bậc 40 (THD40) giải thuật 1 vector cực tiêusai số điện áp điều khiển theo tiêu chuẩn EN61000-2-2 : s3 E121111515121111E1211x 11 1x xe 51Hinh 4.9: Khao sat song hai bac cao khi thuc hién giai thuat 1 vector cuc tiéu sai s6 dién apđiều khiển với các câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 DAC oo ceccccccccecssscevssseseevseeesesvereesevstesetevaneees 52Hình 4.10: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 11 bậc theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện ápđiều khiển tại m=0.4 a) mô phỏng b) thực nghiệm - 22s 1239E5515125151511155151115x 5511 53Hinh 4.11: Khao sat nghich luu 3 pha 11 bac theo giai thuat 1 vector cuc tiểu sai số điện ápđiều khiển tai m=0.85 a) mô phỏng b) thực nghiệm - 2 2s2s E551 1E1E2E15111252511121555x 1x2 54

Hình 4.12: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 11 bậc theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện ápđiều khiển tại m=1.04 a)mô phỏng b) thực nghiệm 5SHình 4.13: Phân tích số lần chuyển mạch theo số bậc và hàm offset giải thuật 1 vector cựctiểu sai số điện áp điều khiến 2 1S 1111115111 122111 11121111 1 1101 1H HH th 56Hình 4.14: Phân tích điện áp điều khiển nghịch lưu 5 bậc giải thuật 1 vector cực tiểu sai số

Hình 4.15: Nguyên lý giải thuật 2 vector cực tiêu sai số điện áp điều khiển -¿ 59Hình 4.16: Điều kiện chọn vector điện áp điều khiển giải thuật 2 vector cực tiểu sai số điện ápđiều khiển ccc 1 2221212112112112121 12121 121211 1 1121112121212 tre 61Hình 4.17: Dich chuyển các giá trị K theo giải thuật 2 VefOr - 5c SE Ezxesxseg 61Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điều khiển 2S 63Hình 4.19: Điện áp điều khiển nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 1 vector va 2 vector cực tiêusai số điện áp điều khiển is: tt 331 112125151511121151211111 11111101111 12 tr HH go 64Hình 4.20: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc theo giải thuật 2 vector cực tiểu sai số điện ápđiều khiển tại m=0.8 a) mô phỏng b) thực nghiệm - 2 S21 39E551112115181111511115E 1E 1e 65Hình 4.21: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc, giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điềukhiển, m=0.9 ham offset minimum common mode a) mô phỏng b) thực nghiém 66Hình 4.22: Khảo sát va so sánh giải thuật 1 và 2 vector nghịch lưu 5 bậc - 67Hình 4.23: Đặc tuyến điều khién của giải thuật 1 vector va 2 vector cực tiêu sai số điện áp

điều khiển nghịch lưu 5 bậc (a) và 31 bậc (b) chhehhrrrrririiinerdie 68

Hinh 4.24: Phan tich dién ap diéu khién voi giai thuat 2 vector cuc tiểu sai số điện áp điềukhiển cho nghịch lưu 5 bậc (a) và so sánh THD40 trên câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 và 11 bậcáp dụng giải thuật 2 vector so với tiêu chudn EN61000-2-2 (b) 5 5S SE erreg 68Hình 4.25: Khảo sát sóng hài giải thuật 2 vector cực tiểu sai sô điện áp điều khiển 70Hình 4.26: Dịch chuyển điện áp điều khiển theo giải thuật 3 vector 5-ccccszxcee2 72Hình 4.27: Lưu đồ giải thuật 3 V€CẦOT 2L Q0 00222111011 112211 11111 211111111 111k nh kh àu 73Hình 4.28: Điện áp điều khiển 3 pha theo giải thuật 1 vector và 3 vecfor -c ce¿ 74Hình 4.29: Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.3 75Hình 4.30: Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.75 75Hình 4.31:Kết quả mô phỏng nghịch lưu 5 bậc theo giải thuật 3 vector tại m = 0.9 75Hình 4.32: Khảo sát và so sánh các giải thuật 1, 2 và 3 vecfOr c1 S22: 76Hình 4.33: Đặc tuyến điều khiển của giải thuật 1, 2 và 3 vectOr - ccs nhe 77Hình 4.34: so sánh THD40 trên câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 và 11 bậc áp dụng giải thuật 3vector so với tiêu chuân EN61000-2-2 -: c2 11 221112111121211112 112221 ng nga 77

Hình 4.35: Khao sát sóng hai bậc cao với giải thuật 3 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển,

câu hình nghịch lưu 5, 7, 9 bac a) hài bậc 5, b) hài bậc 7 c) hài bậc 11 và d) hai bậc 13 78

Hình 5.1: Điện áp common mode của mạch nghịch lưu da bậc - 7-2 2 2+2 S0Hình 5.2: Giản đồ thời gian chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc -¿- 555555: 83Hình 5.3: Luu đồ giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp CMM và cực tiểu sai sỐ - 85Hình 5.4: Luu đồ giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp CMM và cực tiểu sai sô (tiếp) 86Hinh 5.5: Dién ap diéu khién theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cựctiểu sai số điện áp điều khiến 2-1 S211 11115111111211111152T111 1 11 101 HH HH HH teh 87Hình 5.6: Kết quả mô phóng nghịch lưu 5 và 31 bậc theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện ap

common mode và cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.9 St s2 5111511511121 55 1x 1xe 88

Hình 5.7: Khao sát nghịch lưu 3 pha theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common modevà cực tiểu sai biệt điện áp điều khiên St S211 1 512111211111111 25111 01 2 tr He th 88Hình 5.8: Phân tích giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểu sai sô điệnáp điều khiển trên nghịch lưu 3 pha 5 bậc 2: sSn E121512125151112121111111E 2111 rrrrre 89

Hình 5.9: Khảo sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp commonmode và cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.75 2 ST SE Hy |Hình 5.10: Khao sát nghịch lưu 3 pha 7 bậc theo giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp commonmode và cực tiểu sai sô điện áp điều khiển tại m=0.9 ST SE HH HH Hàn 92Hình 5.11: Khảo sát THD40 giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểusai số điện áp điều khiển theo tiêu chuẩn EN61000-2-2 -.- s3 E12111151112111152211x 1111 xe 93Hình 5.12: Khảo sát sóng hài giải thuật 1 vector triệt tiêu điện áp common mode và cực tiểusai số điện áp điều khiển với các cầu hình nghịch lưu 7, 9, 11 bậc c+cszxczszszxszxee 94Hình 5.13: Phân tích giải thuật triệt tiêu điện áp CMM trên nghịch lưu 3 pha 3 bậc 95Hình 5.14: Phân tích giải thuật triệt tiêu điện áp CMM trên nghịch lưu 3 pha 5 bậc 96Hình 5.15: Lưu đồ giải thuật triệt tiêu điện áp common mode, giảm tôn hao và cực tiểu sai sốđiện áp điều khiển - S2 S111 111512111151111115 1111111111211 01 112112122 t HH tru 100Hình 5.16: Kết quả mô phỏng nghịch lưu Š bậc theo giải thuật triệt tiêu điện áp commonmode và cực tiểu sai số điện áp điều khiển tại m=0.78 -SS2TEn SE Hee 101Hình 5.17: So sánh THD% và đặc tuyên điều khiển giải thuật 1 và 3 vector triệt tiêu điện ápCMM và cực tiểu sai biệt điện áp điều khiển (nghịch lưu 5 bậc) - 5c 2xx se 102Hình 5.18: Mô phỏng và thực nghiệm giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp common mode trên

nghịch lưu Š bậc .- 00000222011 11111211 1111111011111 1 12011111 E T1 g1 kkknnn ng k kg 1k1 kk khe 103

Hình 5.19: So sánh THD40 trên cấu hình nghịch lưu 5, 7, 9 bậc áp dụng giải thuật 3 vectortriệt tiêu điện áp common mode so với tiêu chuẩn EN61000-2-2 2-2 cv 3 252121251511 ee 104Hình 5.20: Khảo sát sóng hài bậc cao khi áp dụng giải thuật 3 vector triệt tiêu điện áp

common mode với các cấu hình nghịch lưu 5, 7, 9 bậc -c 2222222222112 xe 105

Hình 6.1: Phân tích vector điều khiển VỊ theo giải thuật phối hop 1, 2 và 3 vector 109Hình 6.2: Phân tích điện áp điều khiển 3 pha với e%=35%, nghịch lưu 3 bậc 110Hình 6.3: Phân tích điện áp điều khiển 3 pha với e% =50%, nghịch lưu 3 bậc 111Hình 6.4: Lưu đồ giải thuật phối hop 1, 2 và 3 VeCfOr - 5-2: 21 3 512111155111 111E E1 cxee 112Hình 6.5: Quan hệ số lần chuyển mach trong 1 chu kỳ điện áp điều khiển và e% 113

Hình 6.6: Quan hệ THD% và e?% ccceccccccccceecenesseeeecceeccenenssseeeeeecenenttsseseeeeeeennness 114

Hình 6.7: Quan hệ độ lệch của thành phân cơ ban điện áp pha tải và e% - 115Hình 6.8: Điện áp điều khiển theo giải thuật 1, 2, 3 vector và giải thuật phối hợp 116Hình 6.9: Quan hệ THD% và chi sô điều chế m giải thuật 1, 2, 3 vector và giải thuật phối hợp.¬— cece eee eee cea Ee LUE ECG EE CLG EES LESS GGESSLEEES GEE SLGEE Si GEE CULES EL GEES bedEEEGEEELuEESiGGEE Sat SesaEScidaeetatescseaeenieeeieey 117Hình 6.10: Đặc tuyến điều khién theo giải thuật 1, 2, 3 vector va giải thuật phối hợp 117Hình 6.11: Kết quả mô phỏng giải thuật phối hợp 1, 2, 3 vector giảm tôn hao và khống chế saibiệt điện điện áp điều khiển tại chỉ số điều chế m=0.I_e%=30% -: 2S E212 E225 2x5 120Hình 6.12: Kết quả mô phỏng giải thuật phối hợp 1, 2, 3 vector giảm tôn hao và khống chế saibiệt điện điện áp điều khiển tại chỉ số điều chế m=0.3_e%=25% i 2S S212 112111235 121Hình 6.13: Kết quả mô phỏng giải thuật phối hợp 1, 2, 3 vector giảm tôn hao và khống chế saibiệt điện điện áp điều khiển tại chỉ số điều chế m=0.7_e=100%% 2 2 3 E212 E221 xe 122Hình 6.14: Kết quả mô phỏng giải thuật phối hợp 1, 2, 3 vector giảm tôn hao và khống chế saibiệt điện điện áp điều khiển tại chỉ số điều chế m=0.9_e%=65% -.- 2 SE E121 112111 x5 123Hình 6.15: So sánh tiêu chí THD40 của điện áp ra nghịch lưu (cầu hình bậc 5, 7 và 9) áp dụnggiải thuật phôi hợp 1, 2, 3 vector giảm tôn hao do chuyên mạch và không chê sai biệt điệnđiện áp điêu khiên với tiêu chuân EN61I000-2-2 2 0211121122211 11 1122111111182 1 11t rha 124

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 1.1: Gian đô kích đóng nghịch lưu NPC 5 bậc hình I.3 - 10Bang 1.2: Điện áp ra và trạng thái kích với câu trúc hình 1.4 (U¿¡=3u, U;¿Eu) 13Bang 1.3: Quan hệ điện áp ra U;„¡ với trạng thái chuyên mach của module thứ ] 14

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của IGBT FG60N60 (tại 25°C) 2c cccccrrrrec 34

Bảng 3.2: Thông sô kỹ thuật của diode câu GBPC40-80 2210111221221 1111112 11g 39

Bảng 4.1: Lựa chọn vector theo giải thuật 1 vector cực tiểu sai số điện áp điều khiển 47Bang 4.2 Giới hạn ve sóng hài của nguôn điện theo chuân ENó [000-2-2 51

Bang 4.3: So sánh giải thuật 1 vector cực tiêu sai sô điện ap điêu khiên và SFOPWM với hàmoffset khác nhau (nghịch lưu 5 bậc) [42] -:-:- 2: chà hhrrrrrrrirrird 56

Bảng 4.4: Điêu kiện va giá tri tính toán giải thuật 2 vector cực tiêu Sal sô 62Bảng 4.5: Điêu kiện chon và giá tri tính toán giải thuật 3 vecfOr 2c 222cc: 72

Bang 5.1: Quan hệ điện áp CMM và trạng thái vector điều khiến (NPC 3 bậc) — 81

Bang 5.2 Lua chon vector theo giải thuật 1 vector cực tiêu sai sô điện áp điêu khiên, triệt tiêuđiện áp common mode như Ốc S5

Bang 5.3: Điêu kiện và vector biêu điện giải thuật 3 vector triệt tiêu CMM 97

Bảng 5.4: Thứ tự biểu diễn các vector khi 3-1) (Lig tL gy the JF Í à.òẶ 252222 2 se 97: , oR, 3.(n-l)

Bảng 5.5: Thứ tự biêu diễn các vector khi —>—t A Ty Ty JF Ö Q.0 2c che 97

Bang 5.6: Điều kiện và giá trị chọn của Šo, Š Ế; -2 1 1221121211212 111 tre 99

Bang 6.1: M6 ta diéu kién chon giải thuật, 2 hoặc 3 vector theo e% 00.0.0 111Bang 6.2: So sánh giải thuật phôi hop (e=35%) với giải thuật SFOPWM và giải thuật 3 vector

(offset mnCM)_ mạch nghịch lưu 5 bậc - - - 2 1222211122211 11 1111111821115 11158 key 118

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

NPC: Neutral Point clamped Multilevel Inverter - Nghịch lưu đa bậc kiéu diode kepTHD: Total Harmonic Distortion - Tổng méo dang do sóng hai

THDn: Tổng méo dang do sóng hai tinh đến hai bậc n.HMI: Hybrid mutilevel inverter - Nghich luu da bac kiéu laiCMH : Cascaded multilevel H-bridge inverter - Nghịch lưu kiểu cascade cau H.DPWM: Điều chế độ rộng xung gián đoạn

minCM: offset minimum common mode.

medCM: offset medium common mode.PD: In Phase Disposition - sóng mang dạng tam giác bồ trí cùng pha.APOD: Alternative Phase Opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí

dich pha 180°.

POD: Phase opposition Disposition - sóng mang dạng tam giác bố trí đối xứng qua

trục zero.

DANH MỤC CAC KY HIỆU SỬ DUNG

Uy: Điện áp pha tai (pha x).

Ức;: Điện áp trên tu phân ap thứ 1 trong mach NPCUae: Điện áp nguồn DC mach NPC

Uaci: Điện ap nguon DC mạch nghịch lưu thứ 1 trong nghịch lưu CDC va CMHx: Chỉ số pha (a, b, c)

U¿: Điện áp nguồn DC module thứ i pha x của nghịch lưu cascadeVẹ;: Điện áp từ cực dương tụ phân áp thứ i đến ground nguồnVx: Tổng điện áp nguồn DC các module từ thứ 1 đến thứ I của pha x.Sxi: Trang thái của khóa chuyển mạch thứ 1 nhánh trên trên pha x5„¡: Trang thái của khóa chuyển mach thứ i nhánh dưới trên pha xS3.r¡: Trạng thai của khóa chuyển mạch bên trải nhánh trên module thứ 1 pha xSxti! Trang thái của khóa chuyển mạch bên trải nhánh dưới module thứ 1 pha xSxpi Trang thai của khóa chuyén mach bên phải nhánh trên module thứ 1 pha xSxp: Trạng thái của khóa chuyển mạch bên phải nhánh dưới module thứ 1 pha xS.: Trạng thái tô hợp các khóa của pha x

n: Số bậc mạch nghịch lưu.p: Số module mạch nghịch lưu cascadek: Số khóa chuyển mạch/1 pha

D¿: Diode kẹp thứ 1 nhánh trên pha x nghịch lưu NPC

D,;’: Diode kẹp thứ 1 nhánh dưới pha x nghịch lưu NPCU¿„: Điện ap ra pha x so với ground nguôn

U,,: Điện áp dây giữa 2 pha x và y.

Ton: Thời gian khóa đóng.

Torr: Thời gian khóa ngắt

Ts: Thời gian lấy mẫu, chu kỳ sóng mang.ƒ: Tần số sóng mang

Ac: Biên độ đỉnh sóng mangAm: Biên độ đỉnh sóng điều khiểnAim: Biên độ đỉnh hai bậc 1 sóng điều khiển

fm: Tân sô sóng điêu khiên

Tm: Chu kỳ sóng điều khiểnV„„„r Điện áp điều khiến pha x (so với ground nguôn) trong chu ky lây mẫu.mạ: Tỉ số điều chế biên độ.

m: Chỉ số điều chế của mạch nghịch lưu.U¡„: Thành phan cơ bản của điện áp tải pha xmax, min, mid: hàm, gia tri cực đại, cực tiểu, trung bìnhPsw: Tổn hao trên khóa công suất trong mạch nghịch lưu (1 chu kỳ).Pss: Ton hao trên khoá công suất do chuyển mạch trong mạch nghịch lưu (1 chu ky).Pcs: Ton hao trên khoá công suất khi dẫn điện trong mạch nghịch lưu (1 chu ky)

MO ĐẦU

Các máy điện đầu tiên như máy phát điện từ năng lượng cơ (Pacinotti — 1864),động cơ điện từ có rotor (Ferraris - 1885) và các máy điện ở thé ky 19 thuong co kết nốitrực tiếp với nguồn năng lượng và không được điều khiển tự động Mặc dù vẫn dựa trên

nguyên lý hoạt động như các máy điện nguyên thủy, nhưng các máy điện sau này khigan vào các quy trình công nghệ sản xuất luôn có yêu cầu cao hơn về khả năng điềukhiển và kết nối chủ động với nguôn năng lượng Dé giải quyết van dé này, một lĩnhvực nghiên cứu mới đã hình thành và phát triển đó là điện tử công suất Băng cách sửdụng các linh kiện điện tử công suất kết hợp các kỹ thuật điện tử mới và các giải thuậtphù hợp, điện tử công suất đã giúp điều khiến hữu hiệu các máy điện và không chế

được dòng năng lượng điện từ.

Điện tử công suất đã giup tao ra các bộ truyền động điện mới, các bộ lọc tích cực

mới Việt Nam, thay được tầm quan trọng của công nghệ điện tử công suất, năm2010 chính phủ đã phê duyệt công nhận điện tử công suất là lĩnh vực ưu tiên đầu tư vàphát triển

Một trong các cấu trúc chính của các bộ truyền động mới là mạch nghịch lưu.Băng cách nghiên cứu phát triển các cấu trúc và các phương pháp điều khiển mạchnghịch lưu chúng ta có nhiều bộ truyền động khác nhau với khá nhiều ưu điểm so vớicác bộ truyền động kinh điển Ngày nay, bộ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverter) với

những ưu điểm vượt trội của nó được phát triển để giải quyết các van dé hạn chế của bộ

nghịch lưu áp hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công

bậc và công suất mạch nghịch lưu ngày càng tăng Với việc tăng dong qua chuyển mạchcông suất, thì ton hao do chuyển mạch cũng sẽ tăng theo [7, 13] Bên cạnh đó, việcngày càng tăng của giá thành năng lượng, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóathạch thì việc nghiên cứu các giải thuật điều chế dé giảm ton hao do chuyển mach làmột vấn đề cấp thiết được đặt ra Tuy nhiên có một thực tế là hầu hết trường hợp giảmchuyển mạch nhăm giảm tốn hao đều dẫn đến tăng hệ số méo hai tổng và biên độ cácsóng hai bậc thấp Trong dé tài “Đánh giá tiềm năng va dé xuất các giải pháp giảm tồnthat điện năng trên lưới điện Việt Nam đến năm 2015” do tập đoàn điện lực Việt Nam(EVN) thực hiện đã chỉ ra sóng hài trên lưới điện đã phát sinh nhiều vấn đề kỹ thuậtnhư gây méo điện áp, gây sụt giảm điện áp ngăn hạn, dao động mô men, gây chớpnháy, gây ton thất điện năng (khi có sóng hài, điện trở toàn phan của dây dẫn tăng lêndo hiệu ứng bề mặt dẫn đến ton thất tăng theo kết quả độ méo dạng sóng hài toàn phan,nếu THD khoảng 10% gây tôn hao phụ thêm 6 % ) Cũng trong nghiên cứu trên, theoghi nhận của EVN thì méo dạng sóng hài cao nhất được ghi nhận tại Việt Nam là trên30% Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị điện tử công suất còn phát sinh điện áp commonmode làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơ cầu chấp hành Hiện nay, Việt Nam đã banhành khá nhiều tai liệu TCVN về van dé sóng hài, méo dạng Những tiêu chuẩn nayđại bộ phận được chấp nhận các tiêu chuẩn của IEC và một số ít chấp nhận tiêu chuẩnSEV, một số còn lại được biên soạn dựa trên nội dung của IEC và có xét đến điều kiệncủa Việt Nam như là môi trường nóng âm, khả năng trang thiết bị hạn chế.

Vi vậy, việc nghiên cứu các giải pháp điêu chê tôi ưu làm giảm sô lân chuyên

mạch của các linh kiện trên mạch nghịch lưu, giảm hoặc triệt tiêu điện áp common

mode mà vẫn đảm bảo độ méo hài tong (THD) và biên độ các sóng hài bậc thap van

năm trong giới hạn cho phép theo hàm mục tiêu là yêu câu câp thiết.

Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu các giải thuật điều chế sóng mang và đặc điểm của giảm tổn hao dochuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc, sự phát sinh điện áp common mode từ sự chuyểnmạch của các thuật toán điều chế Từ đó, luận án đề xuất các giải thuật tối ưu để giảmtôn hao do chuyển mach trong mạch nghịch lưu, góp phan giải quyết bai toán tiết kiệmnăng lượng trong tình hình hiện nay và đảm bảo khống chế các phát sinh không mong

muốn trên lưới điện như sự tăng độ méo hai tổng (THD), biên độ điện áp common

mode

Nội dung và phạm vi nghiên cứu

Về lý thuyết, luận án sẽ tiến hành nghiên cứu các giải thuật nghịch lưu nhằm thựchiện khả năng giảm tôn hao do sự chuyển mạch, triệt tiêu điện ap common mode trong nghịch lưu đa bậc Từ các nghiên cứu trên luận án dé xuất thuật toán điều khiếntối ưu giảm tôn hao do sự chuyển mạch, cực tiểu sai biệt điện áp điều khiến Các giảithuật đề xuất sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình vật lý thực nghiệm và được

so sánh với các giải thuật chuan đê có các kêt luận khoa học và chính xác.

Luận án xây dựng mô hình thí nghiệm là mạch nghịch lưu đa bậc, với công suất6,6 kW, dùng làm cơ sở để thử nghiệm các thuật toán điều khiển khác nhau cũng như

dé kiêm chứng một sô đặc tính vê giảm tôn hao do chuyên mach.

Khai niệm “tôi ưu” trong luận án được giới hạn ở việc xây dung bài toán lựa chọn

tôi ưu cục bộ sai biệt điện áp điêu khiên của vector điêu khiên trong điêu kiện giảm các

vector biêu diễn (đê giảm tôn hao do chuyên mạch) hoặc triệt tiêu điện áp common

mode hoặc cả 2 yêu câu trên.

Phương pháp nghiên cứu

= Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp

mô phỏng và thực nghiệm.

= Xu lý thống kê với sự hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel

= Mô phỏng bang phần mềm chuyên dụng PSIM, Matlab R11

= Lập trình điều khiến trên phần mềm chuyên dụng Code Composer Studio với vimạch TMS320F2812 của tập đoàn Texas Instruments và được kiểm chứng bằngthực tế

" Các thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vat ly với các thiết bị đo hiện đại,

chính xác của hang Tektronix.

Đóng góp mới về mặt khoa học của luận án

I Trên cơ sở giải thuật điều chế sóng mang, luận án đã tiến hành nghiên cứu, tonghợp và đưa ra những nhận định đánh giá về tối ưu hóa trong việc giảm ton hao

do chuyển mạch, triệt tiêu điện ap common mode, khống chế sai biệt điện áp

điều khiển trong mạch nghịch lưu đa bậc.2 Dé xuất sáu giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu hóa giảm tốn hao

do chuyển mạch trong nghịch lưu đa bậc, đồng thời khống chế sai biệt điện ápđiều khiển là nhỏ nhất và triệt tiêu điện áp common mode

3 Thiết kế chế tao mô hình thực nghiệm có thé được ứng dụng cho các nghiên cứuvề nghịch lưu

Ý nghĩa thực tiễn

1 Xác định được các giải thuật điều chế sóng mang với các hàm tối ưu cực tiểu saisố điện áp điều khiển trong điều kiện giam tôn hao do sự chuyén mach, hoặc triệttiêu điện áp common mode, hoặc cả 2 điều kiện trên trong mạch nghịch lưu đabậc Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để giải quyết van dé tối ưu hóa trongmạch nghịch lưu đa bậc thực té

2 Các phân tích, đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế đã chỉ rađược điều kiện và hoàn cảnh áp dụng của các giải thuật Đây chính là cơ sở đểnghiên cứu triển khai các giải thuật đã đề xuất vào thực tế sản xuất sau này.3 Xây dựng được mô hình nghịch lưu đa bậc tôi đa có thể triển khai đến 31 bậc

kiểu lai (HyBrid) và có kha năng chuyển sang các cau hình nghịch lưu với số bậcthấp hơn dé thực hiện các thực nghiệm theo các yêu cau khác

= Chương 3, Thiết kế chế tạo câu hình nghịch lưu phục vụ cho nghiên cứu, khảo sátvà đánh giá các giải thuật điều chế cho nghịch lưu đa bậc.

=» Chương 4, Giải thuật điêu chê tôi ưu giảm tôn hao do chuyên mạch và cực tiêu sai

sô vector điều khiên.

=» Chương 5, Giải thuật điều chế tối ưu triệt tiêu điện áp common mode, giảm ton

hao do chuyên mach va cực tiêu sai sô vector điều khiên.

= Chương 6, Giải thuật phối hợp tôi ưu hóa giảm tốn hao do chuyển mạch và điều

chỉnh được sai sô của điện áp điêu khiên.

= Kêt luận va đê xuât các hướng nghiên cứu trién khai tiép theo.

Nội dung chính của luận án được trình bày trong các chương 3, 4, 5 và 6 Trong đócác giải thuật được trình bày các nội dung: Nguyên lý giải thuật, lưu đồ giải thuật, cáckết quả mô phỏng và thực nghiệm, phân tích và đánh giá giải thuật

CHUONG 1: TONG QUAN VÉ NGHỊCH LƯU DA BAC

Mạch nghịch lưu cầu 1 pha (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng cầu H) chứa 4 khóa côngsuất IGBT và 4 diode mắc đối song Trong khi đó, bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc được câuthành từ 6 IGBT và 6 diode mắc đối song Các khóa công suất trên cùng một nhánhkhông được phép cùng dẫn Trước hết hãy phân tích mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc trênhình 1.1a Với giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:

Uy + U,„ + U,„ =0 (1.1)

Và nguon ap U được phân chia làm hai nửa bang nhau với điểm nút phân thé O, gọiN là điểm nút của tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải Uan, Upn, Ucn được xác định theo:

UL — Ux 5 UnUy, — Uy 5 Un (1.2)U, — ỨC 5 Un

Điện ap Uso, Upo, Uco được gọi là các điện ap pha -tâm nguôn của các pha a, b, c va

Uno được gọi là điện áp tâm tải-tâm nguôn, được xác định theo:

U ,+U,„+UU, — a0 7 c0 al 3)

Vi vậy, điện áp pha tai và điện ap dây được tinh:

U„ — 2.U, -Uụ -Ữ,o U,, — 2.Uu -U,, -U U., — 2.Uu -U,, -Uụ (1.4)

3 3 3

Un =U 10 Uo › UL, =Uu -Ứ,g ? VU =U g “Uno q , 5)

Như vậy ta có thể xác định được các điện áp pha tải, điện áp dây và do đó cả dòngđiện tải cũng như dòng điện pha thông qua điện áp pha — tâm nguồn U;o, Upo, Uco Cácđiện áp này lại được xác định thông qua trạng thái đóng cắt của các khóa trong các

nhánh pha ví dụ như S„ và S„ với pha a Nếu biểu diễn trạng thái kích dẫn của linh kiện

là 1 và trạng thái kích ngắt là 0 thì phương trình biểu diễn trạng thái kích của các linh

kiện trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc như sau:

S +§ =1, S,+S,=1 và S,+S,=1 (1.6)

Điện áp pha tâm nguồn của một pha sé có giá tri +u/2 hoặc -u/2 tùy thuộc khóachuyển mạch S, hay S,’ được kích đóng Vi vậy có thể tính được điện áp pha-tâmnguôn, điện áp pha tải và điện áp dây của mạch nghịch lưu theo nguôn cung cấp u vàtrạng thái kích của các khóa công suất Bộ nghịch lưu được mô tả ở trên chứa 2 khóa

bán dẫn (IGBT) trên mỗi nhánh pha tải Chúng được gọi chung là nghịch lưu áp 2 bậc

(two- level), được áp dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ [12] Khái niệmhai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa đầu một pha tải đến một điểm điện thế chuẩntrên mạch DC (điểm 0 - pole to phase voltage) thay đổi giữa hai bậc giá trị khác nhau,ví dụ khi chọn điểm có điện thé chuẩn là tâm nguôn DC thì điện áp từ pha tải đến tâmnguôn thay đổi giữa (+U/2) và (-U/2) trong quá trình đóng ngắt các linh kiện Bộnghịch lưu áp 2 bậc có nhược điểm là tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ vớiđộ dốc (dV/dt) khá lớn và gây ra một số van dé khó khăn bởi tôn tại trạng thái kháckhông của tổng điện thé từ các pha đến tâm nguồn DC (common-mode voltage - điệnáp Uno)[12] Vì vậy các bộ nghịch lưu áp da bậc được phát triển để giải quyết các vanđề gây ra nêu trên của bộ nghịch lưu áp 2 bậc và thường được sử dụng cho các ứngdụng điện áp cao và công suất lớn Theo [19] thì ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậclà công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên; điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuốngnên công suất tôn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; với cùngtần số đóng ngắt, các thành phan sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm và nhỏ hon sovới trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc Chính vì những ưu thế ở trên, ngày nay các bộnghịch lưu đa bậc đang ngày càng được nghiên cứu và áp dụng nhiều hơn

Về cơ bản mạch nghịch lưu đa bậc thường sử dụng hai câu trúc chính là nghịch lưukiểu diode kẹp (Neutral Point clamped Multilevel Inverter — NPC) và nghịch lưu kiểu

cascade (cascade multilevel inverter) Ngoài hai cau trúc trên còn có cau trúc lai [22] là

kêt nôi các kiêu câu trúc cơ bản với các nguôn điện có tri sô khác nhau.

1.2 Nghịch lưu đa bậc kiêu diode kẹp

Hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc Bộ nghịch lưuđa bậc chứa các cặp diode kẹp có một mạch nguôn một chiều Uge được phân chia thànhmột số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp Giả sử n-1 tụ điện mắcnối tiếp có điện dung bằng nhau thì điện áp trên mỗi tụ điện là:

Uan-1 (1.7)Hs = #fe@œ-ay Fe F Uy FU

Chon mức điện thé 0 là cực âm nguôn một chiều (nguồn DC) cung cấp cho mạchnghịch lưu, thì điện ap từ cực dương tu thứ j đến mass, ký hiệu là Vc; , được tinh:

j

Vo — YD Ue = ju (1.8)

Đề điện áp pha-nguôn DC dat được mức điện áp Uy = j*u (1 Sj <n-]), thì tat ca cackhóa công suất bị kẹp giữa hai diode (Dự, Dụ”)T— gôm n-1 khóa mắc nối tiếp liên tục kểnhau, phải được kích đóng, các khóa còn lại phải được ngắt theo nguyên tắc kích đốinghịch Số khóa công suất 1 pha phải sử dụng là k = 2.(n-1) Trong đó có (n-1) khóa nốitừ ngõ ra tải đến nguon dương gọi la khóa công suất nhánh trên, ký hiệu hiệu là SŠ¿¡, Syo,

Sx(n1) Và (nI) khóa công suất nhánh dưới ký hiệu là 8x1’, Šx2ˆ, Sx(n])

-Goi trạng thái kích khóa công suất nhánh trên thứ x là Ks,

Kk 1 kich 19

*]0 không kích (1.9)

Trạng thái kích các khóa công suất nhánh trên (Ks„) và nhánh dưới (Ks,’) cùng chi sốluôn đối nghịch nhau; nghĩa là Ks„j + Ks,’ = 1 (1.10)

Trong đó: x= a,b,c nhánh pha; J = 1, 2, 3, n chỉ số của khóa công suất

Gọi Ts„¡ là trạng thái của khóa công suất thứ j pha x (S,;) Ts„¡ = 0 tức khóa mở, ngược

lai Ts,; = 1 là khóa đóng Nhu vay, trang thai ra một pha sẽ phụ thuộc trang thai các

khóa công suất Với n-1 khóa ở nhánh trên sẽ có 2" trạng thái điều khiến

Lư se IK + Spiel) IK + Sant ‡

ai

1 Vein-3)

£káyt ÿŸ——=~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~—~~—~———————> sở a1} 5 bn-1} 3 c1}

Hình 1.2: Mach nghịch lưu kiểu điode kẹp n bậc

Tuy nhiên, do điện ap trên các tụ phân áp là như nhau, nên sé chỉ có n mức ra điện

áp khác nhau là 0, u, 2.u, (n-1).u ứng với các trạng thái ở nhánh trên như sau:

— Không khóa nao đóng (Ts„i=Ts¿¿= =Tsx(@-1yC 0) điện áp pha-tâm nguôn U¿y= 0

— Khóa S,; đóng (Tsx1=1; Ts2=Tsx3= Tsxm-1y= 0) điện áp pha-tâm nguôn Uxg= u

— ] khóa từ khoá ` đóng (Tsx1= Tsv¿= = Tsj=1; TSsgxiƑ” TSx+2yƑ” = TSxn-DE 0)điện áp pha-tâm nguồn U¿¿= j*u.

— Mọi khóa đều đóng (Ts„¡= Tsu= = Tsxw-p= L) điện áp ra U;„=(n-1)*u

Tổng quát, ta có thể xác định điện áp ra 1 pha so với mass nguồn theo

U,„=( Tox + Tsx¿ạ+ + T sx(n-1))-U (1.11)

n—-1

Ug = Ud Ty, (1.12)

j=l: se Sb4 4h38e4

Ground -3sai ` “tise: ‘Rise: :

Hinh 1.3: Mach nghich luu kiéu diode kep 5 bac

Áp dụng các phân tích trên vào cau trúc nghịch lưu kiểu diode kẹp 5 bậc (hình 1.3)sẽ có giản đồ kích đóng cắt được trình bày ở bảng 1.1

Bảng 1.1: Giản đồ kích đóng nghịch lưu NPC 5 bậc hình 1.3

STT| U¿ Tsà | Ts | Tsx2 | Ts | Tsxa | Ts¿¿° | Tsx2” | Tsu?1 4u 1 1 1 1 0 0 0 02 3u 0 1 1 1 1 0 0 03 2u 0 0 1 1 1 1 0 0

4 0 0 0 1 1 1 1 05 0 0 0 0 1 1 1 1

Với câu trúc nghịch lưu đa bậc kiểu kiểu diode kẹp n bậc chuẩn thì số tụ sử dụng sẽlà n-1 và số khóa công suất trên 1 pha là k = 2*(n-1) [10] Nếu gọi Ts, là trạng thái cáckhóa công suất nhánh x thi Ts, được định nghĩa:

n-1lj=l

Với n là số bậc mach nghịch lưu, Ts,; là trạng thai của khóa công suất thứ j trên phax Do đó (1.11) có thể được viết lai:

Trong đó: Uy là điện ap pha — mass nguôn DC

uạc điện áp nguồn DC cung cấp cho mạch.u được xác định theo (1.7)

Kết quả là có thé xác định điện áp pha tải (phase-neutral U,,) và điện áp dây một

Uxy sẽ có 2.(n-1) mức với n mức dương, n mức âm và gia tri zero.

1.3 Nghịch lưu đa bậc kiểu cascade (cascaded multilevel inverter)

Mạch nghịch lưu đa bậc kiểu cascade sử dụng các nguôn một chiều riêng biệt nênrat thích hợp trong trường hợp sử dụng các nguồn một chiều có sẵn, vi dụ dưới dạngacquy, solar cell Quan sát hình 1.4, có thể xem mỗi pha của nghịch lưu đa bậc kiểucascade gôm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạngcầu một pha này có các nguồn một chiêu riêng [12, 22, 26, 32]

ị SaT1

SaPb2"|

Hình 1.4: Cấu trúc nghịch lưu cascade 5 bậc

Băng cách kích đóng các khóa công suất trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mứcđiện áp (-u, 0, u) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của p bộ nghịch lưu áp trên mộtnhánh pha tải sẽ tạo nên p khả năng mức điện áp chiều âm (-u, -2u, -3u, -4u, , -pu), pkhả nang mức điện ap theo chiều dương (u, 2u, 3u, 4u, pu) và mức điện áp 0 Với điệnáp các nguồn một chiều như nhau (cascade chuẩn), thì số khóa công suất (k) trên mộtpha quan hệ với số bậc (n) như sau:

k=2.(n-1) (1.17)

Tan số đóng ngắt trong mỗi module của dang mach này có thé giảm di n lần và độdốc điện áp pha tải (dv/dt) cũng vậy Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57 lần, chophép sử dụng IGBT điện áp thấp [12, 22] Phân tích một cách tổng quát, mỗi modulenghịch lưu cau 1 pha của dạng mach này sử dụng 1 nguồn một chiều U.¿ khác nhau, vớix là chỉ số pha, 1 là chỉ số module Như vậy, với module thứ 1 sẽ có 3 trạng thai ra (-U,

Ux, 0) Vì vậy, n module sẽ có được 4” trạng thái kích và có 3” trạng thái ra khác nhau

Bang 1.2: Điện ap ra và trang thái kích với câu trúc hình 1.4 (U;¿¡=3u, U¿;=u)STT Uxe Sxp1_| Sư | Sxp2 | Sr | Sxpr | Seri? | Sxp2” | Su

1 U,¡+ Up = 4u 1 0 1 0 0 1 0 1

2 U;¿¡= 3u 1 0 1 1 0 1 0 0

1 0 0 0 0 1 1 13 Uy - Up, = 2u 1 0 0 1 0 1 1 0

1 1 1 0 0 0 0 1

4 Ug=u 0 0 | 0 | | 0 |

0 0 0 0 1 1 1 11 1 0 0 0 0 1 1

° 0 0 |0 D1 |1 |1 |1 404] o

1 1 1 1 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 0

— Nếu chọn Uy =2U,¡ = 2u hoặc ngược lại thì sẽ có 7 trạng thai ra là (3u, 2u, u, 0,

-u, -2u và -3u) ứng với nghịch lưu bậc 7.

— Nếu chọn Uy, U¿Z0, U¿Z2U,¡, U¿#U,¡ và 2U¿2#U,¡ thì sẽ có nghịch lưu 9 bậcvới các bậc không băng nhau

Tổng quát sẽ phân tích cấu trúc cascade với n module, điện áp nguồn DC tại cácmodule là U,j với x= a, b, c J là chỉ số module và giả sử Ưạ¡ = Uy; = Uạ Các lĩnh kiện

trên một module sẽ có 2 nhánh, sẽ được gọi là nhánh T (trái) và nhánh P (phải) như vậy

các linh kiện cua module thứ j sẽ là Š¿T¡ Sytj-, Sxpj Va Sxpj Các lĩnh kiện này được kích

đóng nghịch nhau theo nhánh; tức là Kựr; + Kyo)’ = 1 và Kypj + Kugj' = 1.

Gọi Ts„r;¡ và Ts„p¡ là trạng thái của khóa công suất nhánh trái và nhánh phải của

module thứ Ị pha x (SvTị và Sxpj) Dat T sxj = T sxpj - TsxTị (1 18)Như vậy với mỗi module thứ j sẽ có bảng quan hệ điện áp ra Ux với trạng thái

chuyển mạch như bảng 1.3 sau đây.Bang 1.3: Quan hệ điện áp ra Ux; với trang thái chuyển mạch của module thứ j

STT Uxgj Tsxj Ts¿pị Txt; Tsxpj TxtI +Ux I I 0 0 I

2 0 0 0 0 1 13 0 0 1 1 0 04 - Uy -] 0 1 1 0

Do do: Ux) = (BsxJU = (TsxTi - Tsxpj)- Uj (1.19)

Cac module mac nôi tiép nhau nên điện ap pha — mass nguôn DC tại các nhánh là Uy

được tính:

A A

Use =) Use =) Pog y (1.20)

J= J=

Khi khảo sát câu trúc cascade chuân các nguôn U,¡ sẽ có gia trị như nhau và băng u.

Do đó, (1.20) được viết lại:

Tương tự, phan 1.2 sẽ có được các công thức tính điện áp pha - tâm tải (Uy,) và điện áp

day (Uy) tại (1.23) và (1.24).

Uo, 2 -1 -I]U,,U,, |=4]-1 2 =1|U,, (1.23)U -1 -1 2]U

cn cg

Kế 1 -1 0U,

U,|=|0 1 -1|U,„/„] [-1 0 1U,

(1.24)

So sánh các công thức (1.15) với (1.16) và (1.23) với (1.24) có thé thay mạch nghịchlưu da bậc kiểu cascade chuẩn cũng có thé biểu diễn toán học như mach nghịch lưu đabậc kiểu diode kẹp chuẩn So sánh công thức tính số khóa chuyển mạch phải sử dụngtrong hai dạng mạch nghịch lưu sẽ dễ dàng nhận thây chúng là như nhau nếu cùng sốbậc nghịch lưu tuy nhiên mạch nghịch lưu kiểu cascade ít diode hơn do không cần các

diode kẹp.

1.4 Nghịch lưu đa bậc kiểu lai (Hybrid mutilevel inverter)

Từ các mục 1.2 và 1.3 có thé thấy răng việc áp dụng chỉ một dạng nghịch lưu cơ bản(kiểu diode kẹp hay cascade chuẩn) có nhiêu bat lợi khi có yêu cầu công suất lớn, số

bậc cao Một trong các giải pháp được đưa ra là thực hiện các mạch nghịch lưu lai(hybrid inverter) Băng cách ghép nối kiểu các mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp vanghịch lưu kiểu cascade hoặc sử dụng các nguồn điện áp cung cấp có biên độ khôngbăng nhau có thể có được bộ nghịch lưu đa bậc kiểu lai [12, 19] Các dạng mạch nghịchlưu lai bao gồm: Kiểu cascade diode kẹp (Cascaded diode-clamped inverters), kiểucascade câu H (Cascaded multilevel H-bridge inverter)

1.4.1 Nghịch hưu da bac kiểm cascade diode kep

Nghịch lưu da bậc kiểu cascade diode kẹp có câu trúc bao gém 2 bộ nghịch lưuchuẩn kiểu diode kẹp mắc ở 2 phía của tải 3 pha như trình bày tại hình (1.5)

Gol: ny, nạ là bậc cua mạch nghịch lưu diode kẹp 1 va diode kẹp 2.

Upci Upco là điện áp nguồn một chiều cung cấp cho mạch nghịch lưu 1 va 2

u¡ và u; là điện ap phan áp trên các tụ của nghịch lưu 1 và 2.

U,¿ị, Uxe2 là điện áp ra của mạch nghịch lưu NPC | và 2 so với mass của nó;

Ts; 1 là trạng thai của khóa công suất thứ j pha x của mạch nghịch luul (S1)

Tsxk.2 là trạng thái của khóa công suất thứ k pha x của mạch nghịch lưu 2 (S,x2)

Áp dụng công thức (1.7) vào hình (1.5) có thể xác định u¡ và uy như sau:

mm (125)

m—Ì

và y, = boo (1.26)

n,-1

œ : ‘ Ngich lưu diode kẹp 1

ate g2 lh Nguồn Up; fi

Boas

( 3 she -ll3 aspa_ || ||[|[D»

* Sat’ Su tp Sa, ,Ground; , &

an U,

3Ì > = : E S lv Ngich lưu diode kẹp 2 oe

T Sei, Set : mewn wae | |

° Ground?”

th? sh sh b)) Up U Đại.

T Sar s1 ssh? Tải 3 pha

Grourid, Use Uno

a) Ngich luu diode kep 2 f

k=l

Điện ap pha tai Ux, có thé xác định thông qua các điện áp pha tải Uxn; và Uxn2 theo

(127)

(1.28)

nguyên tac xếp chồng dap ứng (hình 1.5 c) qua U¿u=U,„¡-U¿a2 (1.29)

Với Ux và U na được tính theo (1.12)

Ua 2 ~ l ~ l LU se

Umm |=3|—1 2 =I|U,„ (1.30)

LƯ ~ l ~ l 2 ogi

HP 2 -1 -I|U„„Um |=3/-1 2 =I1U,„ (1.31)

Ue -1 -1 2]U,,

Thay (1.30) và (1.31) vào (1.29) có thể xác định U,,

U., 2 -1 —l || U4: TU;

Uy, |=4|—L 2 =1 |] Use —Ures (1.32)

U., -l -1 2 |} U., -U 2g

Dién ap pha tam nguôn (giả thiết) U¿y được xác định qua Ux.) và Uy; theo

Ư U cei U 16Use — Uy a4 Use (1.33)

U4 OU 01 U 299

Các điện áp Uxe1 và Uxo2 có ny và nạ gia tri (băng đúng số bậc) nên nếu chọn cácnguôn cho các mạch nghịch lưu thành phần sao cho không trùng giá trị khi tổ hợp thìUx, sẽ có nhiều nhất n = n¡.n; gia trị Hay số bậc nghịch lưu lớn nhất có thé đạt sẽ là:

IEnI.nạ (1.34)Từ 1.2-6 và 1.4-10 xác định được số khóa công suất (k) cần sử dung cho 1 pha

k=k +k, =2(n -1)+2.(n,-1) (1.35)

Trong khi đó nêu su dụng câu trúc nghịch lưu đa bậc kiêu diode kẹp chuân với sô

bậc n¡.n; thi sẽ cân sô khoá công suât là:

Do đó, số khóa tiết kiệm được nếu thực hiện mạch nghịch lưu kiểu cascade diodekẹp (so với nghịch lưu đa bậc kiểu diode kẹp hay cascade chuẩn) với cùng số bậc là

Ak được xác định qua

AK = kụ„ — k = 2(m,.n, —m —n, +1) (1.37)

Với m >2, n,>2 thì (1.37) luôn cho A£>2 Như vậy, so với cau trúc nghịch lưu

chuẩn cùng số bậc cấu trúc nghịch lưu lai kiểu cascade diode kẹp luôn tiết kiệm đượcmột số lượng khóa công suat

1.4.2 Nghịch hưu da bac kiểm cascade cầu H

Mạch nghịch lưu kiểu cascade cầu H (Cascaded multilevel H-bridge inverter - CMH)gôm 2 mạch nghịch lưu kiểu cầu H kết nối theo hình thức mắc xâu chuỗi Hình 1.6a làsơ đồ nguyên lý tong quát 1 pha của mạch nghịch lưu kiểu cascade cầu H

Như vậy một pha mạch nghịch lưu lai kiểu cascade cầu H sẽ có 2 mạch nghịch lưucầu H là mạch nghịch lưu cầu một pha H, và mạch nghịch lưu cầu một pha H; có số bậclà n¡ và nạ và là các mạch nghịch lưu cầu H chuẩn Trong hình U,„ị và Ủ;¿; là điện appha - tâm nguôn của mạch nghịch lưu 1 pha cầu H thứ nhất và thứ hai.

Điện áp pha — tâm nguồn một chiều (Uy) được xác định như sau:

Uxe — Use + Uxe2 (1.38)

Ui U cei + „2Hay: | Uy, | =| Use +U, (1.39)

U U 293 + KIẾP

Hình 1.6b trình bay câu trúc pha a một mạch nghịch lưu lai kiểu CMH, hai mạchnghịch lưu cầu H một pha được sử dụng là cầu H 5 bậc và 3 bậc Như vậy có thê dùngký hiệu CMH 5/3 để diễn tả các bậc của các mạch nghịch lưu 1 pha cầu H thành phan

BNL 1 pha cau Hi Sử! ciới 1 „

Cau trúc nghịch lưu một pha cau H (hình 1.6b) có thé xem gồm 2 dãy pha (trái — Tvà phải — P) của nghịch lưu NPC chuẩn Do đó, thành phan U.„¡ và U,„; được xác định

dựa vào (1.11) và (1.13) như sau:

Ủyi = Uxeit - Uxeip = Uder-(Tsx17 - Tsx1P) (1.40)Uxe2 = Uxgat - Uxgop = Ude2.(Tsxat - Tsx2p) (1.41)

Với Tsxich được định nghĩa theo (1.18) với 1=1,2; Ch=T,P.

Tổng quát ta sẽ xét một mạch nghịch lưu lai CMH n¡/n¿ Với nị và nạ là bậc của cácbộ nghịch lưu thành phan H1 và H2 thì (1.38) được viết lại

Đặt Vy = Uses Vui = Usei, Vxo2 = -Uxg2 Thì (1.39) được viết lại

V Vie ~ V 192ag

Von | =| Vier —V be (1.44)Vg V 93 ~ V go

Và có thé tinh được điện áp pha-tâm tải của nghịch lưu CMH theo

‘UU, | [2 -1 -1|P„

U, |=4/-1 2 -1]%,, (1.45)„| |[-l -1 24%,

Un | [2 —I -I| ugt Vag

Uy, |= 3 -l 2 -Ìl Ves — Ves (1.46)Ưu J | I -1l 2 J Vog3 4 V go

Công thức (1.46) và (1.33) la 2 công thức mô tả cho nghịch lưu CDC va CMH Cả 2công thức này tương đồng nhau nên các tính chất đã có với nghịch lưu CDC cũng đúng

với nghịch lưu CMH.

1.5 Kết luận chương 1

— Mạch nghịch lưu đa bậc có thể sử dụng 2 câu trúc là câu trúc chuân (kiểu diodekẹp hoặc kiểu cascade) và câu trúc lai (CDC hay CMH)

— Câu trúc chuẩn có ưu điểm đơn giản, dễ hiểu, dễ tính toán Ngược lại, câu trúc

lai tuy câu tao phức tạp nhưng có nhiêu ưu diém vê giảm linh kiện công suat (với cùngsố bậc nghịch lưu) nên sẽ được áp dụng nhiều khi cẦn mach nghịch lưu với số bậc lớn

CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN DIEU CHE TRONG NGHỊCH LƯU DA

BẬC

Do nghịch lưu đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất lớn nên van dégiảm bớt tần số đóng ngắt và giảm sốc điện áp trên linh kiện công suất có ý nghĩa quantrọng Các thuật toán cố gắng thực hiện duy trì trạng thái cân bằng các nguôn điện ápDC và khử bỏ hiện tượng phát sinh điện áp common mode, nguyên nhân gây ra một sốhiện tượng làm sớm lão hóa động cơ [19] Các giải thuật điều chế cho bộ nghịch lưu đa

bậc gôm:

e Phuong pháp điều chế độ rộng xung.e Phuong pháp điều chế độ rộng xung cải biến.e Phương pháp điều chế vector không gian

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM)

Phương pháp còn có tên Subharmonic PWM (SH-PWM) hoặc Multilevel Carrierbased PWM Để thực hiện tạo giản đồ kích đóng các khóa công suất trong cùng mộtpha tải, một số sóng mang dạng tam giác được sử dụng để so sánh với một điện áp điềukhiển dưới dạng sin (vì vậy tổng quát người ta còn gọi đây là phương pháp điều chếsóng mang) Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1) sóng.Chúng có cùng tan số là f (được gọi là tần số sóng mang) và cùng biên độ đỉnh — đỉnhlà A, Vì vậy nếu chọn sóng mang có điện áp đỉnh thấp nhất là 0V thi giá trị đỉnh caonhất sẽ là (n-1).A,(V)

Hình 2.1 trình bay nguyên ly của phương pháp điều chế độ rộng xung sinPWM

? Sóng mang n-1 ? Sóng mang 2 Sóng mang 1

+—l>~ Spool +—- S +—~-Lạ Shae 7 ns Ï ẩn

TS 5b mà] ¬ h2 FS Sh1+ —-<“ 8 be] —- | $32 —-— Sb,

Pe Se rl PO Se 2 mœ< Se ]

= Ly Son _ P52 7 LS

° o Vae =] Vbœ o Ve

Hình 2.1: Nguyên lý điều chế độ rộng xung sinPWMCác điện áp điều khiến dạng sin sẽ được so sánh với các sóng mang dạng tam giáctừ thứ nhất đến sóng mang thứ n-1 (với mạch nghịch lưu tông quát là n bậc)

Các kết quả so sánh sẽ được đưa đến mạch kích để kích các khóa công suất trên cácnhánh pha của mạch nghịch lưu Nếu điện áp điều khiển lớn hơn sóng mang nào thì linhkiện tương ứng sóng mang đó sẽ được kích đóng, trong trường hợp điện áp điều khiến

nhỏ hơn sóng mang tương ứng của nó, linh kiện trên sẽ bị kích khóa.

Tổng quát ở nhánh pha x, khóa công suất có chỉ số j sẽ có trạng thái kích:

tiếp nhau sẽ bị dịch 180” - APOD (Alternative Phase Opposition Disposition) (hình

2.2b) và bố trí đôi xứng qua trục zero (POD - Phase opposition Disposition) (hình 2.2c)

VPDc4 PDc3 Mac: VPDc†

AAS WVWW TAA AVA ATAUAVAVAVAVAVANAVAVAVACAVAVAVAVAVAVATAVANANA u \ \ ị /ì /\ V\ ụựVA AAR

Ly N VA ae \ VV need CAAA VV VW WN Wty WN WANN

Hình 2.2: Cách bồ trí sóng mang a) cùng ¬ b) dịch pha, c) đối xứng qua trục z

Trong các phương pháp bố trí sóng mang, phương pháp bố trí các sóng mang đa bậccùng pha cho độ méo dạng áp dây nhỏ nhất [12] Riêng đối với bộ nghịch lưu áp ba bậc,phương pháp POD và APOD cho cùng kết quả Điện áp điều khiển V, có biên độ đỉnhbang A„ và tần số f„ dạng sóng của nó thay đổi chung quanh trục tâm của hệ thống ( n-

1) sóng mang Do đó, điện áp điều khiển ba pha lần lượt là:

Mm, = (2.5)

Hình 2.3 cho kết qua mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế độ rộng xungsinPWM ở tỉ số biên độ m,=0.85, sóng mang bố tri cùng pha (PD), tải R=8.4Q,L=0.0018H, 4 nguén cung cấp U=100V Trong đó Va, Vb, Ve là điện áp điều khiển;crl, cr2, cr3 và cr4 là 4 sóng mang; Pha-dc là điện áp pha A va tâm nguồn DC, apday là

điện áp giữa 2 pha A và B; I(RL 1a), I(RL1b) và I(RL 1c) là dòng điện tải trên 3 pha.

sim ESS HữWWWWMUMNNH

\

YY II UY ( CA UUWVUVIUW vi

am EE 1100000000098 nlitAk0010010)) IT 000100271 OOO\ URNA LA AC A NNN MRA AA ULLMANN ERG AA- DOAN AAA GAARA aOR RRA AANA ARERR ERA HRA RIA ayn xa 0( TY

IRLt IRLU — IŒLI6

Hình 2.3: Mô phỏng nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế sinPWM |

Phương pháp này có một số ưu điểm như sau:

= Đơn giản, dễ thực hiện

" Việc điêu chỉnh điện ap và tân sô ra chỉ thông qua điêu chỉnh biên độ và tân sô

điện áp điêu khiên đưa vào mạch điêu chê V

Tuy nhiên phương pháp này cũng có khá nhiều nhược điểm như:

= Điện áp common mode (điện áp giữa tâm tải và tâm nguồn DC) lớn (hình 2.4) là

một trong các nguyên nhân gây hư hỏng động cơ [29, 32].

=" Các khóa công suât đóng cat theo điện áp điêu khiên và sóng mang không lựa chọn

được do đó không tôi ưu hóa dé giảm sô lân chuyên mạch, nên tôn hao lớn.

=" Goi chỉ sô điều chê m là tỉ sô giữa thành phân hài cơ bản của điện áp pha-tâm nguôn

Hình 2.4: Điện ap common mode trên nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế sinPWM

"Thành phân hai cơ ban của điện áp pha-tâm nguôn có biên độ đỉnh cực đại

VJginPWMmax được xác định là:

1= A (2.7)

Pu sin PWM max 2

Như vậy, phương pháp sinPWM có vùng chỉ số điều chế còn tuyến tính m bị giới

han bởi m„ =——=="-= 5 =0.866 Do đó, việc điêu khiên bị giới hạn nhiêu và

ĐụiC

một sô cai biên điêu chê đã được dé xuat [12].

2.2 Phương pháp PWM cải biến (SFO-PWM)Phương pháp SFO- PWM có điểm khác biệt so với phương pháp điều chế độ rộngxung (2.1) đã trình bay là sử dụng điện áp điều khiến được cải biến (V„szo) Theo đómỗi điện áp điều khiển (Vyspo) là tong điện áp điều khiển của phương pháp sinPWMvới một thành phan điện áp bồ sung gọi là điện áp offset (Vøms,)[12] Tức là:

Một trong các điện áp offset có thé chọn có giá trị bang trung bình của giá tri điệnáp lớn nhất và nhỏ nhất trong ba điện áp điều khiến

Goi Vạ, Vp, Vẹ là các điện áp offset theo phương pháp SFO-PWM (V„srgo) vừa đượcmô tả có thé biéu diễn dưới dang toán học như sau:

Vo =~ max(V,)+min(V,)

offset 2 (2 ' 9)

Trong đó, x là chỉ sỐ pha x=a,b,c

Đồ thị 1 hình 2.5 cho kết quả tạo Vọw¡ và Vasro từ 3 điện áp điều khiến Vạ, Vụ, vàVụ Điện áp Vxsro được đưa vào mạch nghịch lưu cascade 5 bậc tỉ số biên độ mạ= 0.85,kết quả trình bay là các điện áp pha-tâm nguồn DC (pha-dc) đồ thị 2, điện áp dây a-b

KRLia = RL) SCR) (3)

Kết quả mô phỏng cho điện áp common mode trình bày trên hình 2.6 So sánh hình2.6 và hình 2.3 có thể thấy rằng biên độ đỉnh của điện áp common mode là không đổinhưng với phương pháp SFO này thì điện áp common mode có nhiều khoảng biên độbằng 0 hơn nên điện áp trung bình common mode (V¿mAve) SẼ thấp hơn Vì vậy việc tạo

điêu chê SFO với điện áp offset 2.9 còn được gọi là điêu chê cực tiêu common mode.

2th

Hình 2.6: Điện ap V.~ mạch nghịch lưu cascade 5 bậc điều chế SFO PWM

Yom75.00 ;50.00 }25.00

0.00 }-25.00 }44444 50.00 |

Biên độ đỉnh điện áp hài bac | của phương pháp SFO có gia tri:

1í

Flsro = S (2.10)

Do đó, khoảng điều khiến tuyến tính của phương pháp này được cải thiện lên đếnchỉ số Max =0.91 Một số hàm offset khác cũng được đưa ra nhăm các mục đích khácnhau như giảm số lần chuyển mạch, giảm hệ số méo hài tong [10, 17, 20, 21, 31] Vivậy luận án nay cũng chủ yếu tập trung vào việc dé xuất các ham offset nhăm thực hiệncác mục tiêu như tối ưu giảm tôn hao do sự chuyển mạch, tối ưu triệt tiêu điện áp

common mode

2.3 Phương pháp điều chế vector không gian

Việc đóng cắt các khóa công suất trong các nhánh pha của mạch nghịch lưu tạo rađiện áp pha tải với vector không gian của nó thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa

bậc Ví dụ với nghịch lưu áp 3 bậc hình 2.7a sẽ có 27 trạng thái kích khác nhau.

1 sofa <a S22 Spalht 5c2102 /Ứcn LCI „ | /

=F 1 021⁄

Salt Su Sel Un /O — |

ye + t^ Ven

She su2h? S2h2

Uca] tL pig —— `Cy Bt ‡ | 012%.

Sal IR Suk? Si IR

Hình 2.7: Mạch nghịch lưu NPC 3 bậc (a) và vector không gian của nó (b)

Mỗi trang thái kích được mô ta qua tổ hợp trạng thái (K,, Ky, K,) với K,= 0,1,2 là hệsố tương ứng với pha x và thỏa mãn

K,=4I if S,,=S.,=1 (2.11)

Vi vậy với 27 trạng thai kích các khóa công suất sẽ có 19 vị tri vector không gian(hình 2.7b) Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịchchuyển liên tục của vector không gian tương ứng trên quỹ đạo đường tròn của vector