Chương 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Trong đời sống và sản xuất công nghiệp hiện nay, các bộ nghịch lưu (Voltage source
Inverters) được sử dụng rộng rãi để điều khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện (UPS),
hệ thống phân phối điện, xe điện, các hệ thống pin năng lượng mặt trời…Với những ứng
dụng thiết thực và rộng rãi như trên việc nghiện cứu và tối ưu các bộ nghịch lưu là một yêu
cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả thay cho bộ
nghịch lưu truyền thống với một số hạn chế nhất định như sau:
- Điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp ngõ
vào hay nói cách khác nghịch lưu truyền thống chỉ là bộ nghịch lưu giảm áp.
- Hai khóa đóng ngắt (IGBT) trên cùng một nhánh (ví dụ T1 và T4) không được
phép đóng cùng lúc vì khi đó sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch nguồn áp một chiều
gây hư hỏng thiết bị, linh kiện.
Hình 1.1 Bộ Nghịch lưu ba pha truyền thống
Trong lĩnh vực năng lượng mới, năng lượng tái tạo điển hình là pin mặt trời (PV), pin
nhiên liệu…, điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện một chiều có giá trị điện
áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian và môi trường làm việc.
Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo này để chuyển đổi thành điện xoay chiều
220V/380V, đòi hỏi điện áp một chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn
Chương 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
hơn 310 VDC (giá trị điện áp đỉnh của 220 VAC). Để có được điện áp một chiều giá trị lớn
ta phải mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng lớn pin
phải được sử dụng, lắp đặt trên diện tích rộng lớn. Điều này chỉ thích hợp với hệ thống
công suất lớn. Với những hệ thống công suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380 từ
nguồn điện áp thấp, người ta thường dùng: (1) máy biến áp tần số thấp (50Hz) để tăng điện
áp xoay chiều ngõ ra; (2) bộ tăng áp điện một chiều (DC-DC boost converter).
KHỐI NGUỒN DC
( PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HAY
ACQUY)
BỘ NGHỊCH LƯU
DC-AC
MÁY BIẾN ÁP
50Hz
TẢI XOAY
CHIỀU
150-
300VDC 110VDC 220/
380VAC
Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số
Hình 1.2 minh họa bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số thấp. Các
tấm pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu được nối với nhau tạo thành một dãy nguồn áp một
chiều có điện áp thay đổi từ 150 V đến 300 V (tùy thuộc vào môi trường và điều kiện làm
việc). Điện áp này sau khi qua bộ nghịch lưu sẽ có điện áp xoay chiều 110 V. Sau đó người
ta dùng máy biến áp 50 Hz để nâng mức điện áp theo yêu cầu phía tải. Đối với phương
pháp dùng máy biến áp tần số thấp này sẽ cho hiệu quả không cao vì làm tăng kích thước,
tạo nhiều sóng hài, nhiễu, hiệu suất làm việc thấp, không ổn định và ít được sử dụng.
Phương pháp thứ hai dùng bộ tăng áp DC-DC như chỉ trong Hình 1-3 hiện đang được sử
dụng rộng rãi. Tuy nhiên nó cũng có một vài nhược điểm:
Sử dụng hai bộ biến đổi DC-DC và DC-AC làm tăng kích thước, giảm hiệu suất toàn hệ
thống.
Tăng thêm các thiết bị điều khiển đóng ngắt (IGBT, MOSFET…) và mạch lái để điều khiển
các thiết bị đóng ngắt này.
Tăng thêm bộ tăng áp DC-DC sẽ làm tăng giá thành.
Chương 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
Hình 1.3 mô phỏng sơ đồ hoạt động của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp
một chiều. Điện áp một chiều từ các dãy pin sau khi qua bộ tăng áp một chiều sẽ được giữ
ổn định tại 400V. Điện áp này sau đó cung cấp cho bộ nghịch lưu để biến đổi thành điện
xoay chiều.
KHỐI NGUỒN DC
( PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HAY
ACQUY)
BỘ TĂNG ÁP
DC-DC
BỘ NGHỊCH LƯU
DC-AC
TẢI
XOAY
CHIỀU
150-300VDC 400VDC 220/380VAC
Hình 1.3. Sơ đồ khố của bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều
Và cơ chế phát hiện lỗi rất quan trọng trong các cấu hình nghịch lưu có khả năng chịu
lỗi. Nếu không được tích hợp hệ thống phát hiện lỗi tự động thì không có cách nào để cải
tiến xử lý lỗi. Có nhiều phương pháp được áp dụng để phát hiện lỗi như phương pháp nhận
dạng mẫu , Fuzzy logic và trí tuệ nhân tạo .
Để giải quyết các vấn đề của bộ nghịch lưu truyền thống và các vấn đề nêu trên, nhóm
quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu bộ nghịch lưu nguồn Z và xử lý lỗi”.
Đề tài dựa vào bài báo “ Bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC tăng áp bằng chuyển mạch
LC” đã được công bố trên tạp chí IEEE vào năm 2016.
Với các tính năng:
• Có khả năng tăng áp Vdc đầu vào qua đó giảm số lượng pin hay ac-quy ngõ vào, qua
đó giảm chi phí lắp đặt.
• Hiệu suất chuyển đổi cao do chỉ qua một chặng biến đổi từ DC-AC.
• Cho phép cả hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng cùng lúc. Do đó thời gian
chết tạo ra trong quá trình chuyển mạch giữa các khóa được loại bỏ. Vì thế độ méo
dạng của điện áp ngõ ra (THD) được giảm.
• Giảm điện áp ngõ vào, đồng thời giúp giảm điện áp đặt lên IGBT.
Chương 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
• Cấu hình nghịch lưu sẽ có độ tin cậy cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ
tin cậy cao như trong lĩnh vực y tế, quân sự,…
Bộ nghịch lưu này được tìm thấy trong nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống pin mặt
trời hay điều khiển xe điện dùng pin nhiên liệu.
1.2 Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài mà nhóm thực hiện hướng tới là: Dựa trên cấu hình tham khảo từ
bài báo nêu trên sẽ tiến hành cải tiến từ nghịch lưu truyền thống thành nghịch lưu NPC sử
dụng vào sau đó, nhánh dự phòng với các khóa công suất mới sẽ được thay thế cho khóa
bị lỗi. Bên cạnh phải đảm bảo cách li linh kiện bị lỗi, cầu chì cũng giúp bảo vệ khóa công
suất IGBT, cũng như các linh kiện xung quanh trành khỏi hư hỏng.
- Giảm dung lượng cuộn cảm (L).
- Sử dụng một nguồn Vdc để tránh hiện tượng trôi điện áp.
- Xây dựng một mô hình chảy ổn định.
- Nghiên cứu các vấn đề lỗi xảy ra trong cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc và đưa ra giải
thuật xử lý lỗi cho bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC
1.3 Nội dung nghiên cứu
-Nội dung 1: Thu thập và nghiên cứu tài liệu về nghịch lưu.
-Nội dung 2: Các giải pháp thiết kế hệ thống, tham khảo mô hình thực tế.
-Nội dung 3: Tìm hiểu phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển.
-Nội dung 4: Thiết kế mô hình.
-Nội dung 5: Đánh giá kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm.
-Nội dung 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án.
1.4 Giới hạn
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC.
- Đây là đề tài mới nên tài liệu nghiên cứu bị hạn chế và mang tính tham khảo, đa số là
tài liệu của nước ngoài cần có thời gian nghiên cứu và tìm hiểu.
Chương 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5
-Quy mô tương đối nhỏ, chỉ dùng cho hộ gia đình.
-Do tính an toàn trong phòng thí nghiệm nên bộ nghịch lưu 3 pha chỉ có áp ngõ ra là
110VAC/2A.
-Các trang thiết bị gây ra sai số trong quá trình thực nghiệm.
1.5 Bố cục
-Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và bố cục
đồ án.
-Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Hệ thống lại những kiến thức nền cơ bản.
-Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán.
Đưa ra phương án thiết kế, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học.
-Chương 4: Xây dựng mô hình và mô phỏng.
Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch.
Ghi chương trình và chạy mô phỏng ,đo dạng sóng ngõ ra.
-Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Trình bài kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm từ đó đưa ra nhận xét và đánh giá.
-Chương 6: Kết luận và Hướng Phát Triển
Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được. Có hướng phát
triển cho đề tài.
-Tài liệu tham khảo
Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiện đồ án tốt nghiệp