Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với giảm nguồn và phần tử LC

Chia sẻ: Trần Thị Tan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với giảm nguồn và phần tử LC" là tạo ra bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp có ngõ ra điện áp được cải thiện hơn về độ gợn sóng và tần số ổn định hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với giảm nguồn và phần tử LC

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039 Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 13141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp. - Giảm nguồn đầu vào và số lượng các phần tử LC trong mạng trở kháng trung gian. - Bộ nghịch lưu có khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ. 2. Nội dung thực hiện: - Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”. - Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển. - Viết chương trình điều khiển và xây dựng mô hình chạy thực tế. - Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đưa ra đánh giá. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Đỗ Đức Trí CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 19 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Thái Duy Lớp: 13141DT2B MSSV: 13141039 Họ tên sinh viên 2: Lê Minh Quý Lớp: 13141DT1A MSSV: 13141266 Tên đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Nhận đề tài và tìm hiểu các tài liệu liên quan đến 1 đề tài. Cài đặt, làm quen, sử dụng các phần mềm liên 2 quan đến việc thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu giải thuật điều chế. 3 Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Psim. 4 Tiến hành vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, vẽ mạch in. 5 Thi công mạch in. Hoàn thiện mạch in. 6 Nghiên cứu hoàn thiện giải thuật. Thiết kế mô hình hệ thống. 7 Hoàn thiện các module. Thực hiện thi công mô hình hệ thống. 8 Tối ưu kích thước hệ thống. Cho chạy mô hình, kiểm tra khi hệ thống chạy 9 chưa ổn định, xuất hiện lỗi. Tiếp tục chạy mô hình, tìm và khắc phục lỗi khi 10 hệ thống chạy sai.
Tìm hiểu về giải thuật khắc phục sự cố khi hệ 11 thống bị sự cố. Viết báo cáo. Chạy thực nghiệm. 12 Viết báo cáo. 13 Viết báo cáo. 14 Viết báo cáo. 15 Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Đỗ Đức Trí và có tính kế thừa từ những công trình trước đó của Phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao - D405 trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Đề tài được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tài liệu, bài báo, tạp chí đã được công bố trên các phương tiện truyền thông. Mọi tài liệu tham khảo đều được nhóm ghi nguồn đầy đủ trong phần phụ lục tài liệu tham khảo của đề tài. Nhóm thực hiện đề tài Lê Minh Quý – Nguyễn Thái Duy
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ths. Đỗ Đức Trí - người đã đã định hướng đề tài, tận tình giúp đỡ và sẵn sàng chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của mình để chúng em kịp hoàn thành đề tài tốt nghiệp trong quãng thời gian ngắn ngủi này. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ nhiệt tình của anh Vân, anh Trí, anh Bằng cùng các đồng nghiệp khác đã làm việc và nghiên cứu tại phòng D405 – Phòng thí nghiệm Điện Tử Công Suất nâng cao. Đặc biệt không thể thiếu bạn Vĩnh Thanh - một người bạn thông minh, vui tính, không những hỗ trợ về mặt nền tảng kiến thức mà còn về mặt tinh thần giúp nhóm vượt qua những lúc khó khăn, mệt mỏi trong lúc làm việc. Sự đồng hành của tất cả mọi người trong suốt thời gian qua là điều vô cùng quý giá, chúng em rất trân trọng điều đó và chắc chắn sẽ là một kỷ niệm đáng nhớ cho quãng đời sinh viên của mình. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù nhóm đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ thầy Trí nói riêng và các thầy cô giáo bộ môn khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung để nhóm thực hiện đề tài có thể hoàn thành bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này được tốt hơn. Mọi ý kiến đóng góp của quý thầy cô là niềm động lực để nhóm tiếp tục cố gắng và phát huy hơn nữa trong tương lai. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Lê Minh Quý - Nguyễn Thái Duy
MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................ iii Cam đoan ................................................................................................................ iv Lời cảm ơn ................................................................................................................ v Mục lục .................................................................................................................... vi Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... ix Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xi Tóm tắt ................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 7 1.3 Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 8 1.4 Giới hạn. .......................................................................................................... 8 1.5 Bố cục ............................................................................................................. 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 10 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp ..................................................................... 10 2.1.1 Giới thiệu tổng quát .................................................................................... 10 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ........................................................................................ 10 2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc .................................... 11 2.2 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T....................................................... 11 2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T ..................................................................... 11 2.2.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 12 2.3 Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .. 13 2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp .............................. 13 2.3.2 Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 15 2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ................................................. 19 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................ 26 3.1 Giới thiệu....................................................................................................... 26
3.2 Sơ đồ khối hệ thống và chức năng các khối.................................................... 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 26 3.2.2 Chức năng của từng khối ............................................................................ 26 3.3 Giới thiệu thành phần linh kiện trong các khối ............................................... 27 3.3.1 Tổng quan về card xử lý tín hiệu số TMS320F28335 .................................. 27 3.3.2 Giới thiệu FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 29 3.3.3 Mạch kích ................................................................................................... 32 3.3.4 Mạch nguồn DC đầu vào............................................................................. 33 3.3.5 Mạch công suất ........................................................................................... 34 3.3.6 Mạch cảm biến............................................................................................ 35 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 39 4.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 39 4.2 Thi công hệ thống............................................................................................ 39 4.2.1 Thi công board mạch .................................................................................... 39 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 45 4.2.3 Hình ảnh các module đã thi công, lắp ráp ..................................................... 46 4.3 Hoàn thiện mô hình ......................................................................................... 48 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................ 48 4.3.2 Mô hình đã thi công...................................................................................... 49 4.4 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 50 4.5 Lập trình mô phỏng ......................................................................................... 52 4.5.1 Sơ đồ mô phỏng ........................................................................................... 52 4.5.2 Hình ảnh mô phỏng trên PSIM ..................................................................... 53 4.6 Quy trình và hướng dẫn thao tác ...................................................................... 56 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ _NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................ 58 5.1 Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 58 5.1.1 Dạng sóng xung kích cho các khóa IGBT ..................................................... 58 5.1.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu............................ 59 5.2 Đánh giá nhận xét............................................................................................ 62 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 65 6.1 Kết luận........................................................................................................... 65 6.1.1 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 65 6.1.2 Những vấn đề còn tồn đọng .......................................................................... 65 ii
6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ PHỤ LỤC .......................................................................................................... iii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều ........ 2 Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số ........... 2 Hình 1.3: Bộ nghịch lưu Z-Source ............................................................................. 3 Hình 1.4: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dòng ngõ vào liên tục .......................... 3 Hình 1.5: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC .......................................................... 4 Hình 1.6: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC .......................... 5 Hình 1.7: Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp ........................... 7 Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T .......................................................... 11 Hình 2.2: Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T ................................................... 12 Hình 2.3: Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T..................................................... 12 Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp ................................ 14 Hình 2.5: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC .......... 15 Hình 2.6: Mạch điện tương đương 1 pha.................................................................... 15 Hình 2.7: Trạng thái +VDC ở trường hợp không ngắn mạch ....................................... 16 Hình 2.8: Trạng thái -VDC ở trường hợp không ngắn mạch ........................................ 17 Hình 2.9: Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp mức "không" ................................ 17 Hình 2.10: Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch ..................................... 18 Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát ......................................... 21 Hình 2.12: Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A ....................................... 21 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha ................................................... 26 Hình 3.2: Hình ảnh Kit DSP TMS320F28335............................................................ 28 Hình 3.3: Sơ đồ tổng quan các các khối của TMS320F28335 .................................... 29 Hình 3.4: Hình ảnh FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 ............................................... 31 Hình 3.5: Hình ảnh G1215S-1W................................................................................ 32 Hình 3.6: Sơ đồ và chức năng các chân của G1215S-1W........................................... 32 Hình 3.7: Hình ảnh opto TLP250............................................................................... 33 Hình 3.8: Sơ đồ khối tạo nguồn DC đầu vào .............................................................. 34 Hình 3.9: Hình ảnh IGBT FGL40N150D................................................................... 34 Hình 3.10: Hình ảnh cảm biến điện áp LV-20P ......................................................... 35 Hình 3.11: Sơ đồ mạch điện bên trong cảm biến điện áp LV-20P .............................. 35 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ............................................................... 36 Hình 3.13: Khối ngõ vào cảm biến ............................................................................ 36
Hình 3.14: Khối điều chỉnh mức khuếch đại của tín hiệu ........................................... 37 Hình 3.15: Khối cộng điện áp .................................................................................... 38 Hình 4.1: Sơ đồ khối module nguồn .......................................................................... 39 Hình 4.2: Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha .......................................................... 40 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch kích ........................................................................ 40 Hình 4.4: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) ........................................................... 41 Hình 4.5: Mạch PCB mạch kích (mạch in lớp dưới) .................................................. 41 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp ............................................................ 42 Hình 4.7: Sơ đồ mạch in mạch cảm biến áp ............................................................... 42 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ................................................................ 43 Hình 4.9: Mạch tăng áp LC với IGBT ....................................................................... 43 Hình 4.10: Mạch công suất hình T ............................................................................. 44 Hình 4.11: Nhánh hình T ........................................................................................... 44 Hình 4.12: Module khối nguồn .................................................................................. 46 Hình 4.13: Module mạch kích ................................................................................... 47 Hình 4.14: Mô hình mạch công suất .......................................................................... 47 Hình 4.15: Mô hình mạch tăng áp bằng LC ............................................................... 48 Hình 4.16: Mô hình mạch cảm biến áp ...................................................................... 48 Hình 4.17: Mô hình hoàn chỉnh ................................................................................. 49 Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật tổng quát ...................................................................... 50 Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A ....................................... 51 Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên PSIM ............................................ 52 Hình 4.21: Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha ................................................... 52 Hình 4.22: Sơ đồ khối tạo xung ngắn mạch trên PSIM .............................................. 53 Hình 4.23: Xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3 ............................................................ 53 Hình 4.24: Xung kích cho khóa Sb1-Sb2-Sb3............................................................ 53 Hình 4.25: Xung kích cho khóa Sc1-Sc2-Sc3 ............................................................ 54 Hình 4.26: Xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1 ............................................................ 54 Hình 4.27: Dạng sóng điện áp pha ............................................................................. 55 Hình 4.28: Dạng sóng điện áp dây ............................................................................. 55 Hình 4.29: Dạng sóng điện áp cực ............................................................................. 55 Hình 4.30: Dạng dòng điện ngõ ra ............................................................................. 56 Hình 4.31: Quy trình và hướng dẫn thao tác .............................................................. 57 ii
Hình 5.1: Dạng sóng xung kích cho SA1-SA2-SA3-Short giữa thực nghiệm và mô phỏng ................................................................................................... 58 Hình 5.2: Dạng sóng xung kích cho SA1-SB1-SC1 giữa thực nghiệm và mô phỏng .. 59 Hình 5.3: Dạng sóng điện áp cực (Van) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 59 Hình 5.4: Dạng sóng điện áp pha (Vph) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 60 Hình 5.5: Dạng sóng điện áp dây (Vab) trước lỗi và sau lỗi ....................................... 60 Hình 5.6: Dạng sóng điện áp trên tải R (Vr) trước lỗi và sau lỗi ................................ 60 Hình 5.7: Dạng sóng dòng điện qua tải trước lỗi và sau lỗi ........................................ 61 Hình 5.8: Tổng độ méo hài (THD) của dòng điện trước lỗi và sau lỗi ........................ 61 Hình 5.9: Dạng sóng điện áp trên tụ C1, C2 trước lỗi và sau lỗi................................. 62 Hình 5.10: Dạng sóng dòng điện qua cuộn dây L trước lỗi và sau lỗi ........................ 62 iii
LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1: Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch ................................................. 44 Bảng 5.1: Các thông số được sử dụng trong bộ nghịch lưu 3 pha ................................. 63
TÓM TẮT Trong những năm gần đây, các tấm pin năng lượng mặt trời dần được sử dụng rộng rãi, các tuabin năng lượng gió cũng bắt đầu được sử dụng phổ biến hơn ở các tỉnh thành Việt Nam. Việc sử dụng các bộ nghịch lưu là rất cần thiết để tận dụng các nguồn năng lượng sạch này nhằm phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của mọi nhà, qua đó sẽ giảm được đáng kể chi phí điện năng tiêu thụ về lâu dài. Đề tài thực hiện xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ. Mô hình được thực hiện dựa trên việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 kết hợp với vi mạch FPGA để lập trình tạo ra các xung kích đóng, mở các IGBT tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho tải. Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài dựa trên những yếu tố sau: - Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã công bố. - Có tính kế thừa những phần cứng đã thiết kế từ các công trình nghiên cứu trước đó của phòng thí nghiệm và từ đó tiếp tục đào sâu nghiên cứu để phát triển thêm các tính năng mới. - Dựa vào lý thuyết tiến hành mô phỏng bằng phần mềm và xây dựng mô hình chạy thực tế. - Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đánh giá. Việc mô phỏng cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc mới đã được thực hiện trên phần mềm Psim, và để kiểm tra lại các kết quả này thì một mô hình thử nghiệm đã được nhóm thực hiện đề tài xây dựng tại phòng thí nghiệm. Quá trình thực nghiệm bộ nghịch lưu cũng đã được tiến hành ở cả hai điều kiện hoạt động của mạch: điều kiện hoạt động bình thường và trong điều kiện gặp sự cố mất pha A. Các dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu quan sát được từ thực nghiệm có hình dạng giống với lý thuyết mô phỏng khi hoạt động trong cả hai điều kiện bình thường và xảy ra sự cố. Về mặt biên độ thì có sự sai lệch tương đối khi so với lý thuyết, điều này có thể chấp nhận được vì các linh kiện ngoài thực tế không thể đạt được các trạng thái và thông số lý tưởng như trong lý thuyết mô phỏng. Ngoài ra, nhiễu tác động đến các xung kích cũng làm cho IGBT phát nóng làm giảm hiệu suất làm việc của linh kiện, qua đó ảnh hưởng đến kết quả thực nghiệm.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Nền sản xuất công nghiệp phát triển, kéo theo nhiều tác động xấu đến môi trường. Cụ thể, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề được mọi người đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây. Đã có nhiều cuộc tranh cãi nảy lửa giữa người dân với các nhà máy sản xuất công nghiệp xảy ra tại nước ta với tần suất xuất hiện trên các báo đài, mạng xã hội ngày càng tăng. Nguyên nhân chủ yếu của các vụ việc này liên quan tới vấn đề các công ty, xí nghiệp sản xuất đã xả trực tiếp các chất thải độc hại chưa qua xử lý ra môi trường. Để giảm thiểu tình trạng này, nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đang hướng đến mục tiêu sử dụng năng lượng sạch sẵn có từ thiên nhiên như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường. Một bộ phận không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất năng lượng sạch này là các bộ nghịch lưu (Inverters). Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các bộ nghịch lưu đang là một yêu cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả hơn song cũng góp phần giảm thiểu chi phí lắp đặt để có thể phổ biến rộng rãi hơn việc sử dụng nguồn năng lượng này đến với cộng đồng. Các bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường (VSI) vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định [1-2]. Cụ thể như: - Không chịu được sự cố ngắn mạch trên cùng một nhánh nghịch lưu dẫn tới hư hỏng linh kiện chuyển mạch (IGBT). - Hoạt động như một bộ chuyển đổi nguồn bậc thấp, điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp cho ngõ vào. Do đó, trong một hệ thống năng lượng tái tạo, để có được một điện áp AC đạt yêu cầu thì một bộ chuyển đổi điện áp một chiều (DC-DC converter) sẽ được ghép tầng với VSI như hình 1.1 hoặc một máy biến áp xoay chiều được lắp đặt đằng sau VSI như hình 1.2. Tuy nhiên, với nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống, trong khi đó việc lắp đặt máy biến áp lại làm tăng kích thước, trọng lượng và giá thành của cả hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Khối nguồn Bộ tăng áp Bộ nghịch lưu Tải DC DC-DC DC-AC 150-300VDC 400VDC 220VAC Hình 1.1. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều. Khối nguồn Bộ nghịch lưu Máy biến áp Tải DC DC-AC 50Hz 150-300VDC 110VAC 220VAC Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số. Sớm nhận ra được những hạn chế của bộ nghịch lưu truyền thống, việc nghiên cứu và phát triển các cấu hình nghịch lưu đã được thực hiện một cách liên tục mỗi ngày bởi các chuyên gia hàng đầu và các kỹ sư điện giàu kinh nghiệm trên toàn thế giới nhằm hướng tới mục tiêu cải thiện chất lượng điện năng ngày một tốt hơn, đồng thời giảm chi phí lắp đặt và tăng hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Cụ thể, số lượng các bài báo về các công trình nghiên cứu đã được công bố ngày càng nhiều bởi các tạp chí nổi tiếng về điện – điện tử như IEEE, IET... Điều đó chứng tỏ rằng việc nghiên cứu về các bộ nghịch lưu cho các hệ thống điện năng lượng tái tạo là đúng hướng và ngày càng được mọi người quan tâm nhiều hơn trong những năm gần đây.  Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất cho phép tăng điện áp DC ngõ vào qua đó tăng áp xoay chiều ngõ ra chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng là một bước tiến khá lớn cho lĩnh vực này [3-4]. Mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) này bao gồm hai cuộn cảm có thông số bằng nhau, hai tụ thông số bằng nhau và một diode. Đối với bộ nghịch lưu truyền thống, chỉ có hai trạng thái hoạt động là trạng thái ngắn mạch và trạng thái trạng thái active. Trong khi đó bộ ZSI tận dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp DC ngõ vào, qua đó cải thiện độ tin cậy cho bộ nghịch lưu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN D1 L1 Sa1 Sb1 Sc1 C1 C2 A Tải AC Vg B C Sa2 Sb2 Sc2 L2 Hình 1.3. Bộ nghịch lưu Z-Source. Cho đến nay đã có rất nhiều các cấu hình liên quan được công bố như: Novel Z- source, Quasi Z-source…là các cải tiến từ nghịch lưu nguồn Z. Năm 2008, một biến thể cải tiến từ ZSI là Quasi-Z-Source (qZSI) đã được đề xuất [5]. Bộ qZSI này cũng tương tự như ZSI nhưng có một số ưu điểm như: giảm nguồn đặt vào, giảm trị số của các linh kiện, giảm số lượng phần tử thụ động, đơn giản hóa phương pháp điều khiển và đặc biệt là cải thiện dòng điện ngõ vào được liên tục – một hạn chế còn tồn tại của cấu hình ZSI trước đó. C1 L1 D1 L2 Sa1 Sb1 Sc1 A Tải AC Vg C2 B C Sa2 Sb2 Sc2 Hình 1.4. Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dòng ngõ vào liên tục. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Các bộ nghịch lưu trong giai đoạn này hầu hết là nghịch lưu bậc thấp, không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sử dụng điện năng với chất lượng ngày càng cao nên các bộ qZSI nhiều bậc đã được nghiên cứu để đáp ứng kịp thời cho nhu cầu này. Năm 2014, một cấu hình qZSI NPC 3 bậc đã được đề xuất trong bài báo [6] của tạp chí IEEE. Mạng trở kháng trung gian của qZSI NPC 3 bậc sử dụng hai mạng lưới trở kháng của qZSI theo dạng đối xứng như hình 1.5 với bốn cuộn cảm, bốn tụ điện và hai diode. Bộ qZSI NPC 3 bậc này cũng có chế độ tăng áp chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng nhưng cung cấp được điện áp ngõ ra AC ba bậc. Tuy nhiên, việc tăng gấp đôi số lượng các linh kiện thụ động công suất lớn ở mạng trở kháng trung gian như vậy sẽ làm tăng kích thước, chi phí lắp đặt của cả hệ thống và cũng không phù hợp với các ứng dụng sử dụng công suất vừa và nhỏ. C1 L1 D1 L2 Sa1 Sb1 Sc1 Vg C2 Sa2 Sb2 Sc2 Da1 Db1 Dc1 A Tải AC B C Vg Sa3 Sb3 Sc3 Da2 Db2 Dc2 C3 Sa4 Sb4 Sc4 L3 L4 D4 C4 Hình 1.5. Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC. Vào năm 2016, bài báo [7] “A three level LC-Switching Based Voltage Boost NPC Inverter” được công bố bởi tổ chức IEEE với nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC. Bộ nghịch lưu này vừa có thể tăng được điện áp đầu vào vừa sử dụng tương đối ít các linh kiện thụ động trong mạng trở kháng trung gian bởi sự trợ giúp của một linh kiện chuyển mạch tích cực bổ sung, do đó tạm thời giải quyết được vấn đề về kích thước và trọng lượng của các bộ nghịch lưu đa bậc trước đó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN L1 D1 Sa1 Sb1 Sc1 S1 C1 Vg Sa2 Sb2 Sc2 Da1 Db1 Dc1 D2 A Tải AC B C D3 Vg Sa3 Sb3 Sc3 Da2 Db2 Dc2 S2 C2 Sa4 Sb4 Sc4 L2 D4 Hình 1.6. Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC.  Tình hình nghiên cứu trong nước: Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc hình T vẫn còn là một hướng nghiên cứu mới. Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC thực hiện trong đồ án là ThS. Đỗ Đức Trí - Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Cụ thể, trong năm 2017, bài báo về công trình nghiên cứu nghịch lưu hình T “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification” của thầy đã được tổ chức IEEE thông qua và cho phát hành đến các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại phòng “Thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao” - D405. Phòng thí nghiệm đã và đang đi sâu vào nghiên cứu và phân tích các cấu hình và các giải thuật về nghịch lưu hình T tăng áp. Chưa dừng lại ở đó, một minh chứng cho tình hình nghiên cứu về các bộ nghịch lưu vẫn đang tiếp tục phát triển, bài báo [8] “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count” cũng vừa được tạp chí IET Power Electronics phát hành trong năm 2017 vừa qua. Trong bài báo, một cấu hình nghịch lưu mới đã được đề xuất với việc tiếp tục giảm bớt một cuộn cảm ở mạng trở kháng trung gian và giảm thêm 6 diode nữa khi so với mạch nghịch lưu NPC trước đó. Ngoài việc giảm đáng kể số lượng các linh kiện thụ động, bộ nghịch lưu này còn có thể chịu được lỗi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5