Nghiên cứu nghịch lưu 5 bậc lai

Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu: Nhằm đáp ứng như cầu ngày càng cao về việc biến đổi các năng lượng tái tạo như năng lượng m t trời, năng lượng gió và điều khiển động c , bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 09 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

ác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Minh Tuấn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/11/1986 N i sinh: Thanh Hóa

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện MSHV: 1441830029

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI

II- Nhiệm vụ và nội dung:

1 Nghiên cứu về biến tần đa bậc, phư ng pháp điều khiển nghịch lưu đa bậc

2 y dựng mô hình thực nghiệm nghịch lưu 5 bậc lai

3 Mô phỏng nghịch lưu 5 bậc lai trên Matlab

4 Lập trình giải thuật xuống mô hình nghịch lưu 5 bậc lai

III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/07/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS Nguyễn Thanh Phương PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đ y là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất k công trình nào khác Những số liệu, kết quả dùng để tham khảo đã có trích dẫn

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm n và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ r nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đỗ Minh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Kỹ Thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, bản th n tôi luôn nhận được sự quan t m, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Quý Thầy Cô nhà trường

in được tr n trọng gửi lời tri n đến quý Thầy Cô, cảm n Thầy PGS.TS Nguyễn

Thanh Phương đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để tôi hoàn thành luận

văn đúng tiến độ và đạt được mục đích, yêu cầu của đề tài

Cảm n gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn này

Tr n trọng cảm n./

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2016

Người thực hiện luận văn

TÓM TẮT

I Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu:

Nhằm đáp ứng như cầu ngày càng cao về việc biến đổi các năng lượng tái tạo như năng lượng m t trời, năng lượng gió và điều khiển động c , bộ nghịch lưu đa bậc được xem như là một giải pháp hiệu quả, với nhiều ưu điểm như độ méo dạng thấp, điện áp làm việc của các linh kiện đóng ngắt thấp h n Do vậy, nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc hiện là một trong những lĩnh vực thu hút Đề tài nghiên cứu về bộ nghịch lưu 5 bậc lai, các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu này

II Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài:

1 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu về nghịch lưu 5 bậc lai

- Nghiên cứu về giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai

- Kiểm chứng các giải thuật điều chế trên phần mềm Matlab/ imulink

- y dựng mô hình thực nghiệm

- Viết chư ng trình điều khiển và chạy thực nghiệm phần cứng với tải R

2 Giới hạn của đề tài:

- Do thời gian có hạn đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu bộ nghịch lưu 5 bậc lai và các giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang

- Nhưng mở rộng xa h n có thể thực hiện trong tư ng lai như: điều khiển động c với bộ nghịch lưu đa bậc lai, nghiên cứu giải thuật điều chế vector không gian cho

bộ nghịch lưu đa bậc lai

-

ABSTRACT

I The purpose of research and research subject:

To adapt the increasing requirement of converting the renewable energy such as solar panel, wind power, and controlling the motors; multilevel inverters are considered

as an effective solution with advantages such as low distortion (%THD), lower rating voltage of the switching devices According to these reasons, study on multilevel inverter is an attractive field The topic " Research on hybrid 5-level inverter" focus on the operation of multilevel inverter and carrier-based PWM for this inverter topology

II Research tasks and Scope of research

1 Research tasks:

- Study on hybrid 5-level inverter topology

- Study on carrier-based PWM for this hybrid 5-level inverter topology

- Verify the analysis on Matlab/Simulink software

- Program and run the experimental hardware with R-load

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc sử dụng GTO 2

Hình 1.2: Bộ nghịch lưu flying capacitor (FC) 3 bậc sử dụng IGBT 3

Hình 1.3: Bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc 5

Hình 1.4: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai 7

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai 9

Hình 2.2: Các phư ng pháp điều khiển biến tần đa bậc 10

Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp sóng mang 10

Hình 2.4: ung đóng ngắt theo kỹ thuật nhiều sóng mang 11

Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp sóng mang chuẩn 11

Hình 2.6: ung đóng ngắt theo giải thuật sóng mang chuẩn 12

Hình 2.7: Lưu đồ giải thuật của phư ng pháp FO PWM 14

Hình 2.8: Điện áp điều khiển và xung đóng ngắt ở phư ng pháp FO PWM 14

Hình 2.9: Giản đồ phư ng pháp POD 15

Hình 2.10: Giản đồ phư ng pháp PD 15

Hình 2.11: Giản đồ phư ng pháp POD 16

Hình 3.1: Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 bậc lai 17

Hình 3.2: Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu 5 bậc lai 18

Hình 3.3: Giản đồ vector không gian điện áp với đầy đủ các trạng thái 20

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật CPWM với điện áp offset 21

Hình 3.5: đồ mô phỏng trên matlab/simulink 21

Hình 3.6: Dòng tải 3 phase ở m=0.35 và m=0.8 22

Hình 3.7: Điện áp nghịch lưu VAO ở m=0.35 và m=0.8 22

Hình 3.8: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8 22

Hình 3.9: Phân tích FFT điện áp VAO' ở ở m=0.35 và m=0.8 22

Hình 3.10: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 23

Hình 3.11: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và m=0.8 23

Hình 3.12: Điện áp phase-tải VAN ở m=0.35 và m=0.8 23

Hình 3.13: Điện áp dây VAB ở m=0.35 và m=0.8 24

Hình 3.14: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 24

Hình 3.15: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8 25

Hình 3.16: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 25

Hình 3.17: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và m=0.8 25

Hình 3.18: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8 26

Hình 3.19: Phân tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 26

Hình 3.20: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8 27

Hình 3.21: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 27

Hình 3.22: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và m=0.8 27

Hình 3.23: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8 28

Hình 3.24: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 28

Hình 3.25: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8 28

Hình 3.26: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 29

Hình 3.27: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và m=0.8 29

Hình 3.28: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8 29

Hình 3.29: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 30

Hình 3.30: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.8 và m=1 31

Hình 3.31: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.8 và m=1 31

Hình 3.32: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.8 và m=1 31

Hình 3.33: Điện áp dây VAB ở m=0.8 và m=1 32

Hình 3.34: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.8 và m=1 32

Hình 3.35: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.8 và m=1 32

Hình 3.36: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.8 và m=1 33

Hình 3.37: đồ của hệ nghịch lưu cầu H 5 bậc và motor 33

Hình 3.38: Giản đồ vector với các vector có CMV=0 35

Hình 3.39: Giản đồ vector với các vector lựa chọn 35

Hình 3.40: Giản đồ đóng ngắt 3 pha theo các giá trị phần nguyên và phần dư 37

Hình 3.41: Điện áp nghịch lưu tham chiếu ở m=0.35 và m=0.8 38

Hình 3.42: Điện áp commom-mode VO'N ở m=0.35 và m=0.8 39

Hình 3.43: Ph n tích FFT điện áp dây VAO' ở tần số đóng ngắt 5kHz ở m=0.35 và m=0.8 39

Hình 3.44: Điện áp dây VAB ở m=0.35 và m=0.8 39

Hình 3.45: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 40

Hình 3.46: Điện áp nghịch lưu VAO' ở m=0.35 và m=0.8 40

Hình 3.47: Ph n tích FFT điện áp dây VAB ở ở m=0.35 và m=0.8 40

Hình 4.1: đồ khối mô hình thực nghiệm 43

Hình 4.2: đồ mạch động lực 43

Hình 4.3: Mạch động lực 43

Hình 4.4: Mạch lái MOSFET (hình trên) 44

Mạch nguồn 15V (hình dưới) 44

Hình 4.5: Mạch nguồn ± 15V 44

Hình 4.6: Mạch lái MOSFET 45

Hình 4.7: Kết nối giữa mạch nguồn ± 15V và mạch lái 46

Hình 4.8: Board mạch đệm và đảo 46

Hình 4.9: Board điều khiển STM32F4 Discovery 47

Hình 4.10: Toàn bộ hệ thống phần cứng 47

Hình 4.11: Toàn bộ hệ thống phần cứng 48

Hình 4.12: Toàn bộ hệ thống phần cứng 48

Hình 4.13: đồ nguyên lý của mô hình thực nghiệm 49

Hình 4.14: đồ quy trình thực nghiệm 50

Hình 4.15: Giao diện chỉnh định các ngoại vi và các ch n ng ra cho vi điều khiển 51

Hình 4.16: Giao diện chỉnh định clock hệ thống 52

Hình 4.17: Giao diện chỉnh định các ngoại vi, các chân ngõ ra, chỉnh ưu tiên cho các ngắt 52

Hình 4.18: Project trên phần mềm Keil uVision 53

Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật tính toán điện áp offset và chọn các trạng thái chuyển mạch cho các kỹ thuật PWM khác nhau 54

Hình 4.20: Giản đồ xuất xung tại chư ng trình ngắt chu k của timer và ngắt so sánh của channel 1,2,3 55

Hình 4.21: Lưu đồ hoạt động của chư ng trình điều khiển 56

Hình 4.22: Điện áp CMV và FFT của điện áp CMV ở m=0,3 57

Hình 4.23: : Điện áp phase và FFT của điện áp phase ở m=0,3 57

Hình 4.24: : Điện áp dây và FFT của điện áp dây ở m=0,3 57

Hình 4.25: Điện áp CMV và FFT của điện áp CMV ở m=0,85 58

Hình 4.26: : Điện áp phase và FFT của điện áp phase ở m=0,85 58 Hình 4.27: : Điện áp dây và FFT của điện áp dây ở m=0,85 58

DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC

Công thức (1): Điện áp điều khiển sin chuẩn 12

Công thức (2): Tổng điện áp điều khiển 3 pha 12

Công thức (3): Điện áp pha –tải 12

Công thức (4): Điện áp tham chiếu VNO’ 13

Công thức (5): Điện áp pha –tải sin chuẩn quy về tham chiếu 13

Công thức (6): Điện áp d y –tải sin chuẩn quy về tham chiếu 13

Công thức (7): Điện áp offset 14

Công thức (8): Điện áp nghịch lưu 19

Công thức (9): Điện áp offset min và max 25

Công thức (10): Điện áp offset 1 và 2 27

Công thức (11): Cộng sóng hài bậc 3 31

Công thức (12): Điện áp common-mode 37

Công thức (13): Cộng offset điện áp common-mode 38

MỤC LỤC

Chư ng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Đ t vấn đề: 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới: 3

1.3 Tính cấp thiết của đề tài: 5

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: 6

1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài: 6

1.6 Phư ng pháp nghiên cứu của đề tài: 7

1.7 Cấu trúc của đề tài: 8

Chư ng 2: CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG CHO BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI 9

2.1 Bộ nghịch lưu 5 bậc lai: 9

2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang: 10

Chư ng 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU VÀ KẾT QU MÔ PH NG BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC L I 17

3.1 Xây dựng giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai17 3.2 Kỹ thuật điều chế tối ưu tần số SFO ( Switching frequency optimal) 24

3.3 Kỹ thuật giảm tổn hao đóng ngắt sử dụng hàm offset max và min: 26

3.4 Kỹ thuật điều chế cộng sóng hài bậc 3 THI ( 3rd harmonic injection PWM) 30

3.5 Điện áp common-mode và các kỹ thuật giảm điện áp common-mode: 33

Chư ng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC L I 41

4.1 đồ khối của mô hình thực nghiệm 41

4.2 Chi tiết mô hình thực nghiệm 42

4.2.1 Mạch động lực 42

4.2.2 Mạch lái MO FET 44

4.2.3 Mạch điều khiển 46

4.2.4 Kết nối hệ thống phần cứng 47

4.3 đồ nguyên lý của mô hình thực nghiệm 49

4.4 Lập trình điều khiển vi điều khiển MT32F4 với phần mềm TM32CubeM 50

4.5 Lưu đồ giải thuật chư ng trình điều khiển 53

4.6 Kết quả thực nghiệm 53

Chư ng 5: KẾT LUẬN 59

5.1 Kết luận 59

5.2 Hướng nghiên cứu tư ng lai 60

TÀI LIỆU THAM KH O 61

PHỤ LỤC - CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 59

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay, các bộ biến tần được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như điều khiển động c , bộ nguồn, bộ lưu điện UP , các bộ lọc tích cực Đ c biệt trong các ứng dụng khởi động, điều khiển động c , biến tần là sự lựa chọn duy nhất cho khả năng tiết kiệm điện rất cao Biến tần kết hợp với động c không đồng bộ mang lại các lợi ích sau:

- Hiệu suất làm việc cao

- Quá trình khởi động và dừng động c êm dịu nên kéo dài tuổi thọ động c cũng như các c cấu c khí liên quan khác

- n toàn và tiện lợi, việc bảo dưỡng biến tần cũng ít h n nếu so sánh với các bộ chuyển đổi tốc độ c khí như hộp số

- Biến tấn giúp tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành

Ngoài ra, khi các biến tần được điều khiển bằng PLC và được kết nối với máy tính trung tâm qua hệ thống C D Từ trung t m điều khiển, nh n viên vận hành có thể quan sát được hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng, tốc độ ) cũng như cho phép điều chỉnh, chuẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra

Bộ biến tần thông thường biến đổi điện áp qua 2 kh u, kh u chỉnh lưu nhằm biến đổi điện áp C tần số lưới (50Hz ho c 60Hz) thành điện áp DC, và kh u nghịch lưu nhằm biến đổi điện áp DC thành điện áp C có biên độ và tần số mong muốn Kh u nghịch lưu là trái tim của bộ biến tần, bộ nghịch lưu là phần điều khiển biên độ điện áp

và tần số điện áp từ đó thay đổi momen và tốc độ của động c Rất nhiều bộ biến tần chỉ sử dụng kh u chỉnh lưu không điều khiển bằng diode, nên các bộ biến tần cũng thường được gọi là bộ nghịch lưu (inverter)

Các bộ nghịch lưu hai bậc truyền thống sử dụng cấu trúc nghịch lưu 2 bậc kinh điển với 6 khóa đóng ngắt Để cải thiện chất lượng điện áp ng ra, giảm tổn

- Hình 1.3) và bộ nghịch lưu diode kẹp (NPC - Hình 1.1) được các nhà khoa học đưa ra

để tạo ra các mức điện áp khác nhau Theo đó các kỹ thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu đa bậc cũng được phát triển và ngày càng đa dạng Nghịch lưu đa bậc cùng các cấu trúc biến đổi của nó (nghịch lưu đa bậc lai) được nghiên cứu mạnh mẽ để cải thiện chất lượng điện áp ng ra, giảm tổn hao đóng ngắt hay sử dụng linh hoạt số lượng nguồn DC

có sẵn Ngoài ra biến tần đa bậc còn giải quyết được vấn đề giới hạn giá trị định mức của linh kiện bán dẫn để ứng dụng trong các tải công suất lớn hay hệ thống điện

Ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc ngày càng s u rộng trong truyền động điện động c xoay chiều với độ chính xác cao,làm nguồn điện liên tục UP , điều khiển chiếu sáng, bù nhuyễn công suất phản kháng, bộ lọc tích cực, và các ứng dụng nối lưới và tối

ưu trong năng lượng tái tạo [1]

Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc và đa bậc lai: điện áp đ t lên các linh kiện được chia ra cho nhiều linh kiện h n nên bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; với cùng tần số đóng ngắt, các thành

phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ so với trường hợp bộ nghịch lưu áp hai bậc kinh điển

Hình 1.2: Bộ nghịch lưu flying capacitor (FC) 3 bậc sử dụng IGBT

Các phư ng pháp điều khiển áp dụng cho bộ nghịch lưu áp hai bậc như phư ng pháp điều chế độ rộng xung và các dạng cải biến của nó, phư ng pháp điều khiển vector, phư ng pháp khử sóng hài tối ưu, các phư ng pháp điều khiển dòng điện (hay vector dòng điện) có thể được điều chỉnh để có thể áp dụng cho bộ nghịch lưu áp đa bậc Bộ nghịch lưu áp đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu đối với tải công suất lớn

Do đó vấn đề giảm tần số đóng ngắt và giảm shock điện áp dv/dt trên linh kiện công suất có ý nghĩa quan trọng Các thuật toán điều khiển chủ yếu xoay quanh việc duy trì trạng thái c n bằng các nguồn điện áp DC và khử bỏ hiện tượng common-mode voltage

là nguyên nh n giảm tuổi thọ động c Trong một số ứng dụng thực tiễn, đ c biệt là truyền động động c xoay chiều, điện áp common mode là nguyên nh n tạo ra dòng rò giữa trung tính tải và trung tính nguồn, dẫn đến nạp xả tụ, g y mòn ổ bi, làm giảm tuổi thọ thiết bị [2]

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM là kỹ thuật chủ yếu để điều khiển các bộ nghịch lưu Các nghiên cứu về thuật toán điều khiển các bộ nghịch lưu chủ yếu xoay quanh kỹ thuật điều rộng xung sóng mang (CPWM) và kỹ thuật điều rộng xung vector không gian (SVPWM)

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới:

Bộ nghịch lưu đa bậc đầu tiên được đề xuất năm 1981 bởi nhóm nghiên cứu Nabe đã khởi xướng cho hướng nghiên cứu các loại biến tần công suất phức hợp

phục vụ công nghiệp và năng lượng M c dù cấu trúc và giải thuật điều khiển phức tạp nhưng chúng có những ưu điểm về khả năng công suất, chất lượng của năng lượng cung cấp và khả năng giảm thiểu sóng điện từ Tính chất đạt được của các bộ biến tần phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) và được phát triển từ những kỹ thuật tư ng tự đối với bộ nghịch lưu 2 bậc Các nhóm nghiên cứu PWM chủ yếu dựa vào kỹ thuật PWM sóng mang, PWM vector không gian và PWM triệt tiêu sóng hài Đ c điểm phức tạp của kỹ thuật PWM của biến tần đa bậc chỉ được ph n tích khá hoàn chỉnh những năm sau 2000 Năm 2007, công trình của N.V.Nhờ (HCMUT)

về giải tích cấu trúc biến tần đa pha đa bậc nguồn biến động được báo cáo tại IEEE

PE C 2006 (Korea) và EPE 2007 (Denmark) đã tạo ra c sở lý thuyết tư ng đối tổng quát cho nghiên cứu PWM của các loại biến tần phức hợp khác nhau

Năm 2000, nhóm tác giả Haoran Zhang, nnatte von Jouanne, haoan Dai, lan K.Wallace, Fei Wang [3] công bố bài báo về triệt tiêu điện áp common-mode (CMV) cho biến tần đa bậc theo phư ng pháp sử dụng những vector có điện áp CMV bằng không Việc triệt tiêu hoàn toàn điện áp CMV sẽ nảy sinh chuyển mạch không còn nằm

ở 3 vector gần nhất vì vậy đề tài chọn phư ng pháp giảm dao động điện áp CMV ở 2 bậc thấp nhất và điện áp CMV trung bình nhỏ nhất (Voffset) Các công bố về giảm điện

áp CMV có nhóm Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, Seung-Ki ul, năm 2001, [4] cho biến tần NPC 3 bậc bằng cách sử dụng 19 vectors điện áp có điện áp CMV bằng 0 và bằng Vdc/6 Tuy nhiên lời giải còn hạn chế, khó mở rộng cho biến tần đa bậc và chưa giải quyết vùng quá điều chế Năm 2003, nhóm nghiên cứu Poh Chiang Loh, Donald Grahame Holmes, Yusuke Fukuta, Thomas Lipo [5] công bố giải thuật về giảm điện

áp CMV cho biến tần đa bậc cascaded sử dụng các kỹ thuật dịch pha sóng mang kết hợp với chế độ gián đoạn, lời giải sử dụng nhiều sóng điều khiển và sóng mang dịch pha phức tạp chưa tổng quát cho các mô hình đa bậc khác, vẫn chưa đề cập đến vùng quá điều chế Đến năm 2007, nhóm nghiên cứu mit Kumar Gupta, shwin M.Khambadkone [6] đưa ra được lời giải cho cả vùng quá điều chế dựa trên phư ng pháp SVPWM

Những năm gần đ y (2014 - 2015) nhóm nghiên cứu của N.V.Nhờ (HCMUT),

đã có những công bố trên tạp chí IEEE Transacton on Power Electronics về các kỹ thuật triệt tiêu điện áp common-mode và giảm biên độ của các gai dòng ng ra (output

current ripple) và giảm tổn hao đóng ngắt cho các bộ nghịch lưu đa bậc [7-8] Thêm vào đó nhóm nghiên cứu của N.D.Tuyen (HCMUT) năm 2014 đã công bố trên Journal

of Power Electronics (Korea) về kỹ thuật dịch pha sóng mang để giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch lưu đa bậc T-type [9]

Nhìn chung các bài báo về giảm tổn hao đóng ngắt cũng như giảm điện áp common-mode còn nhiều phức tạp và chưa tổng quát cho các mô hình đa bậc khác nhau, các bảng tra g y nhiều khó khăn khi lập trình điều khiển, yêu cầu nhiều bộ nhớ của vi điều khiển, dung lượng tính toán lớn

Hình 1.3: Bộ nghịch lưu cascaded 11 bậc

1.3 Tính cấp thiết của đề tài:

Nghiên cứu các nguồn năng lượng tái tạo ở Việt nam có ý nghĩa quan trọng, đ c biệt trong điều kiện giá các nguồn nguyên liệu hóa thạch tăng cao Trong khi đó, Việt Nam được đánh giá có rất nhiều tiềm năng trong việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như gió, m t trời, sóng biển Tuy nhiên so với những thành công mà nước ngoài đạt được, chúng ta cần quan t m và đầu tư nhiều h n nữa cho việc phát triển và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng này

Một hệ thống khai thác năng lượng tái tạo sang năng lượng điện sử dụng trực tiếp ho c hòa lưới thường bao gồm bộ biến tần mà trong đó bộ nghịch lưu đóng vai trò chính Các bộ nghịch lưu đa bậc và nghịch lưu đa bậc lai có những ưu điểm về khả năng công suất, chất lượng năng lượng cung cấp và giảm thiểu sóng điện từ sẽ là chìa khóa cho việc phát triển năng lượng tái tạo

Bộ nghịch lưu đa bậc lai với kỹ thuật sóng mang CPWM được chọn để nghiên cứu vốn được nghiên cứu ứng dụng rất nhiều trong việc phát triển năng lượng tái tạo và hệ truyền động động c C Bài toán giảm tổn hao đóng ngắt và giảm điện áp common-mode là một bái toán lớn với các lời giải còn nhiều vấn đề cần ph n tích Việc hoàn thành đề tài sẽ góp phần ứng dụng cho kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc trong các ứng dụng năng lượng tái tạo và các hệ truyền động

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho các bộ nghịch lưu đa bậc tạo nền tảng cho việc x y dựng các bộ nghịch lưu đa bậc để ứng dụng vào nền công nghiệp ở Việt Nam nhằm góp phần vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Đề tài hy vọng là một tài liệu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho nghịch lưu đa bậc, tạo c sở cho các nghiên cứu xa h n trong tư ng lai

Trên nền tảng này; việc thực thi các bộ nghịch lưu đa bậc vào thực tế; các ứng dụng

cụ thể sẽ được dễ dàng h n Từ đó cải thiện chất lượng điều khiển điện vào các ứng dụng hiện tại như hệ truyền động động c , bộ nghịch lưu nối lưới năng lượng m t trời,

bộ lưu điện, các bộ lọc tích cực

1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Đề tài nghiên cứu các thuật toán điều khiển bộ nghịch lưu 5 bậc lai như hình 1.4, mục tiêu dựa trên kỹ thuật điều rộng xung sóng mang CPWM để xử lý các tính chất điện, tập trung vào bài toán giảm tổn hao đóng ngắt và giảm điện áp common-mode, áp dụng phư ng pháp cộng hài bậc 3 để tăng chỉ số điều chế ( 3th

harmonic injection PWM) Cụ thể hóa các mục tiêu như sau:

- Giải tích mô hình nghịch lưu lai 5 bậc, ph n tích các kỹ thuật CPWM để giảm tổn hao đóng ngắt và giảm điện áp common-mode

Hình 1.4: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai

- Tăng chỉ số điều chế với phư ng pháp cộng hài bậc 3

- Kiểm tra tất cả mô hình và giải thuật được đưa ra trên chư ng trình mô phỏng Matlab/ imulink Đánh giá chất lượng của các phư ng pháp này và so sánh với các kết quả đã đạt được khác

- y dựng mô hình thực nghiệm với đầy đủ nguồn cung cấp, mạch công suất, mạch kích lái, mạch điều khiển sử dụng TM32F4 Discovery Kit, kiểm chứng độ khả thi của các thuật toán điều khiển và tính thực tiễn của đề tài nghiên cứu

1.6 Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

- Phương pháp luận: Tìm hiểu tổng quan về về nghịch lưu đa bậc và các phư ng

pháp điều chế độ rộng xung PWM cho nghịch lưu đa bậc; tìm hiểu s u về bộ nghịch lưu

5 bậc lai, phư ng pháp điều chế để tối ưu bộ nghịch lưu 5 bậc lai bao gồm giảm tổn hao đóng ngắt, tối ưu giảm độ méo dạng tổng %THD, giảm điện áp common-mode; đánh giá và so sánh các kiết quả mô phỏng và thực nghiệm; những thành quả của đề tài có thể được áp dụng để phát triển cho các bộ nghịch lưu nối lưới trong các hệ thống năng lượng tái tạo như máy phát điện gió, panel pin m t trời ho c các bộ biến tần điều khiển động c

- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu dựa trên mô hình toán của bộ nghịch lưu

đa bậc, x y dựng các giải thuật điều chế độ rộng xung PWM dựa trên phư ng pháp điều

chế độ rộng xung sóng mang, x y dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/ imulink để kiểm chứng giải thuật đã x y dựng trên lý thuyết, x y dựng mô hình thực nghiệm để chứng minh tính thực tế của đề tài Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh

và đánh giá để kết luận tính hiệu quả và những thành quả thu được của đề tài Từ đó làm c sở cho những phát triển xa h n

- Giá trị thực tiễn của đề tài: việc nghiên cứu và thực hiện các đề tài về nghịch lưu

đa bậc góp phần đóng góp vào những kiến thức chung cho Việt Nam; áp dụng thực tiễn cho công nghiệp năng lượng tái tạo, điều khiển động c ; có thể phát triển thành một sản phẩm công nghiệp thực sự

1.7 Cấu trúc của đề tài:

Đề tài " Nghiên cứu bộ nghịch lưu 5 bậc lai" bao gồm các chư ng:

Chương 1: Giới thiệu chung vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Các kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc

lai

Chương 3: Các phư ng pháp điều khiển tối ưu và kết quả mô phỏng bộ nghịch lưu 5

bậc lai

Chương 4: y dựng mô hình thực nghiệm bộ nghịch lưu 5 bậc lai

Chương 5: Kết luận – kiến nghị

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu 5 bậc lai

2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang:

Những mô hình c bản của kỹ thuật PWM cho bộ nghịch lưu đa bậc được xoay quanh 3 kỹ thuật c bản: kỹ thuật sóng mang CPWM, kỹ thuật vector không gian VPWM và kỹ thuật triệt tiêu sóng hài lựa chọn HE_PWM Kỹ thuật VPWM được

sử dụng nhiều nhất trong các bộ nghịch lưu Nhưng khi mở rộng ra mô hình đa bậc và

đa bậc lai việc xác định trạng thái chuyển mạch, tính toán thời gian chuyển mạch trở nên rờm rà và phức tạp Kỹ thuật CPWM được thực hiện dễ dàng h n nhờ việc giải tích

điện nhánh tải thành tổng của điện áp nghịch lưu và điện áp common-mode

Các phư ng pháp phổ biến cho việc điều khiển biến tần đa bậc hiện nay:

Các phương pháp điều khiển cho biến tần đa bậc

Điều khiển đóng ngắt với tần số cao

Điều khiển đóng ngắt với tần số thấp

Phương pháp

Phương pháp điều biên six-step

SV PWM Carriers PWM

Hình 2.2: Các phương pháp điều khiển biến tần đa bậc

Với kỹ thuật CPWM và hàm offset sẽ tận dụng khả năng tạo ra áp tối đa của nguồn

DC, trong đó có cả vấn đề quá điều chế Nhờ tính linh hoạt của hàm offset ta có thể cải

tiến phẩm chất điện áp ng ra ho c điều khiển tối ưu thiết bị

a) Sử dụng nhiều sóng mang

BỘ NGHỊCH LƯU

ĐA BẬC

Hình 2.3: Lưu đồ giải thuật của phương pháp sóng mang

Các bước giải thuật:

Bước 1: Tín hiệu điều khiển v refa,v refb,v refccó dạng sin sẽ được so sánh với các sóng mang để tạo ra các xung kích đóng ngắt khóa

Hình 2.4: Xung đóng ngắt theo kỹ thuật nhiều sóng mang

Số lượng sóng mang = số bậc của bộ nghịch lưu -1

Bước 2: Bộ điều khiển sẽ tạo ra xung đóng ngắt theo giải thuật trên sau đó đưa

vào mạch công suất thông qua mạch lái và mạch tạo xung đối nghịch để kích cho các khóa S i và '

Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật của phương pháp sóng mang chuẩn

Dựa vào c sở nhiều sóng mang, ta tách tín hiệu điều khiển thành 2 phần: Phần nguyên, phần lẻ Phần nguyên để chọn trạng thái chuyển mạch từ mức nào sang mức

nào Còn phần lẻ để so sánh sóng mang tạo xung đóng ngắt cho trạng thái chuyển

mạch

Hình 2.6: Xung đóng ngắt theo giải thuật sóng mang chuẩn

Mục đích của phương pháp: Phư ng pháp này cho kết quả tư ng đư ng như

phư ng pháp nhiều sóng mang Nhờ việc tách rời 2 thành phần: phần nguyên và phần lẻ

ta có thể xử lý linh hoạt sóng điều khiển, lập trình trên vi điều khiển cũng đ n giản h n

c) Phương pháp điều chế tối ưu tần số chuyển mạch (SFO PWM)

+ Điện áp offset:

Thông thường, điện áp phase- tải tham chiếu 3 phases sử dụng để tạo tín hiệu đóng

_ _ _

3 2

Từ các phư ng trình trên ta có nhận xét như sau:

lưu tham chiếu như một điện áp offset để tối ưu các tính chất điện cho bộ nghịch lưu

- Điện áp offset tham chiếu này sẽ ảnh hưởng đến điện áp common-mode của bộ nghịch lưu

- Điện áp offset này bị giới hạn bởi biên độ tối đa của sóng mang trong phương pháp điều chế sóng mang, hoặc đường biên của đồ thị vector trong phương pháp điều chế vector không gian

+ Phương pháp điểu chế tối ưu tần số chuyển mạch này sử dụng một điện áp

offset trung bình để cộng vào điện áp nghịch lưu tham chiếu với lưu đồ giải thuật của phư ng pháp như sau:

Hình 2.7: Lưu đồ giải thuật của phương pháp SFO PWM

Các bước thực hiện:

Bước 1: Tìm giá trị max, min của U ti (với i = A, B, C và U ti là các điện áp điều

khiển khi chưa cộng offset )

Bước 2: Tìm điện áp offset Vo :

o

n

với n là số bậc của bộ

Bước 3: cộng giá trị offset v o vào điện áp điều khiển ban đầu U ti để tạo ra điện áp

pháp sóng mang thông thường hay sóng mang chuẩn để tạo xung đóng ngắt khóa

Hình 2.8: Điện áp điều khiển và xung đóng ngắt ở phương pháp SFO PWM

Trong phư ng pháp sóng mang cho biến tần đa bậc, ta có thể thấy biên độ tối đa điện áp ng ra với tín hiệu điều khiển có dạng in có giá trị là , trong khi đó cấu hình biến tần đa bậc cho phép ta điều khiển tuyến tính điệp áp ng ra in tối đa là , do vậy

ta sử dụng phư ng pháp common mode trung bình để n ng biên độ điện áp qua cộng

hàm offset vào các tín hiệu điều khiển Phư ng pháp này sẽ cho kết quả điện áp ng ra

tư ng đư ng phư ng pháp pace vector PWM [8]

d) Các biến đổi của điều chế nhiều sóng mang dịch mức

Trong phư ng pháp điều chế nhiều sóng mang dịch mức tùy theo vị trí của các sóng mang mà ta sẽ có những phư ng pháp điều chế biến đổi khác nhau Tất cả sóng mang cùng pha ta sẽ có phư ng pháp Phase Disposition PWM (PD PWM) minh họa ở Hình 2.10, các sóng mang đối xứng nhau qua trục thời gian ta sẽ có phư ng pháp Phase Opposition Disposition PWM (POD PWM) minh họa ở Hình 2.11 , các sóng mang có pha đối xứng xen kẽ ta sẽ có phư ng pháp lternate Phase Opposition Disposition PWM (APOD PWM) minh họa ở Hình 2.9

Hình 2.11: Giản đồ phương pháp POD

Trong luận văn này ta x y dựng giải thuật giảm điện áp common-mode trên c

sở phư ng pháp PD PWM và điều chế dựa trên 1 sóng mang chuẩn

Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU VÀ KẾT QUẢ MÔ PH NG

BỘ NGHỊCH LƯU 5 BẬC LAI

3.1 Xây dựng giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai:

a Cấu trúc bộ nghịch lưu 5 bậc lai

Bộ nghịch lưu 5 bậc lai được x y dựng trên c sở ghép nối bộ nghịch lưu hai bậc cổ điển với bộ nghịch lưu 3 bậc cầu H như Hình 2.1 Điện áp ng ra được tổng hợp từ các nguồn DC thông qua việc điều khiển các khóa đóng ngắt Một bộ nghịch lưu 3 bậc cầu

lưu 2 bậc cổ điển có khả năng tạo ra 2 mức điện áp là -V dc /2 và V dc /2 (nếu lấy điểm

tham chiếu điện áp là điểm giữa hai tụ của bộ nghịch lưu hai bậc kinh điển) Tổ hợp các khả năng xảy ra, ta có bộ nghịch lưu lai này có khả năng tạo ra 5 mức điện áp trên mỗi

pha bao gồm -V dc , V dc /2, 0, V dc /2, V dc

Hình 3.1: Cấu trúc của bộ nghịch lưu 5 bậc lai

Nếu tiếp tục ghép nối các module cầu H vào mỗi pha, số bậc của bộ nghịch lưu sẽ tăng, điện áp pha ng ra sẽ càng gần dạng sin, độ méo dạng càng thấp Nhưng càng tăng số module thì chi phí cho linh kiện, chi phí các bộ nguồn DC riêng biệt càng lớn

nên tùy theo những ứng dụng cụ thể, cũng như c n đối các yếu tố mà người thiết kế bộ nghịch lưu có số bậc phù hợp

Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai là cấu trúc hiệu dụng nhất cho các ứng dụng công

su t vừa và lớn với nhiều ưu điểm Đầu tiên là tính module, giúp cho cấu trúc này dễ dàng lắp đ t, thay thế và bảo trì Một giải pháp để tăng độ tin cậy của hệ thống dựa vào tính module này là sử dụng số module nhiều h n cần thiết từ đó khi xảy ra sự cố hệ vẫn hoạt động bình thường trên số module còn lại Do các linh kiện chỉ làm việc với một điện áp DC riêng biệt nên điện áp chịu trên mỗi linh kiện nhỏ h n so với cấu trúc diode kẹp ho c tụ kẹp H n nữa do sử dụng các điện áp DC riêng biệt nên vấn đề c n bằng điện áp DC trên tụ gần như được bỏ qua

Bộ nghịch lưu đa bậc lai còn có ưu điểm h n so với bộ nghịch lưu đa bậc truyền thống

là số linh kiện đóng ngắt ít h n so với các cấu trúc nghịch lưu đa bậc khác, số lượng tụ điện và số nguồn cách ly giảm (so với bộ nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng truyền thống)

Cấu trúc nghịch lưu đa bậc lai đ c biệt thích hợp cho những ứng dụng có sẵn các nguồn

DC riêng biệt như kết nối pin năng lượng m t trời, fuel cell ho c những ứng dụng không sử dụng nguồn DC như các thiết bị F CT , D T TCOM và bộ lọc tích cực

b Giải tích bộ nghịch lưu 5 bậc lai

Hình 3.2: Cấu trúc một pha của bộ nghịch lưu 5 bậc lai

ét một pha bộ biến tần lai 5 bậc như Hình 2.2, các điện áp ng ra của các module cầu

H và điện áp pha ng ra phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các khóa được ph n tích theo bảng ở dưới

Bảng I: Mức điện áp nghịch lưu và các trạng thái đóng ngắt

Đ t các trạng thái của VXO : -E, 0, E, 2E, 3E tư ng ứng là 0,1,2,3,4 ta có giản đồ vector

không gian điện áp của bộ nghịch lưu 5 bậc:

410 420 430

440 340 240 140 040

041 042 043

044 034 024 014

403 402 401

030 020 010

001 002 003

330

411 421 431 441

230 130 031

032 033

023 013

302 301

Hình 3.3: Giản đồ vector không gian điện áp với đầy đủ các trạng thái

Với bảng trạng thái ta có thể chọn mẫu điều chế và tính hàm áp điều khiển của

các c p linh kiện còn lại theo (2.1) Ví dụ như bảng sau:

' 4

AO a

v S

Các trạng thái chọn (0,0,0) ↔ (0,0,1) ↔ [(0,1,1) ↔ (1,0,0) ] ↔ (1,0,1) ↔ (1,1,1)

Lưu đồ giải thuật điều khiển độ rộng xung sóng mang cho bộ nghịch lưu 5 bậc lai với điện áp offset

L x

+ - Một sóng mang

Phân tích tín hiệu

So sánh

max

v v mid vmin

Tính toán điện áp offset

Lựa chọn

2 trạng thái chuyển mạch

S H ;S L

X

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật CPWM với điện áp offset

đồ mô phỏng tổng quát:

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng trên matlab/simulink

Kết quả c bản ở chế độ inePWM, tần số ng ra 50Hz, tần số sóng mang 5kHz, chỉ số

điều chế m=0.35 và m=0.8 Dòng tải với R= 10 Ω, L= 10mH

0 50 100 150

-50 0 50 100

Time (s)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Điện áp common-mode VO'N:

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Time (s)

0 5 10 15 20

-50 0 50 100