Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha" nghiên cứu tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc; cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc; đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc; mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THẾ DÂN NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BẢY BẬC MỘT PHA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THẾ DÂN NGHIÊN CỨU BỘ NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BẢY BẬC MỘT PHA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 28 tháng 07 năm 2018 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) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS.Ngô Cao Cường Chủ tịch 2 PGS.TS.Huỳnh Châu Duy Phản biện 1 3 TS.Võ Hoàng Duy Phản biện 2 4 PGS.TS.Nguyễn Hùng Ủy viên 5 TS.Đoàn Thị Bằng Ủy viên, Thư ký Xác 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
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THẾ DÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/06/1984 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1641830005 I- Tên đề tài: Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha. II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc. - Cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây 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 kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thế Dân
ii LỜI CÁM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, giảng viên trường Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong toàn khóa học. Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Phương đã chỉ bảo, hướng dẫn giúp đỡ tận tình, góp phần hoàn thành Luận văn cũng như trong quá trình học tập và làm việc vừa qua. Ngoài ra, tôi cũng xin được gửi đến các Thầy, Cô viện kỹ thuật, thầy cô viện sau Đại học Trường Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh lời cảm ơn sâu sắc vì đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong thời gian làm Luận văn này. Việc thực hiện đề tài Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức chuyên môn. Kính mong nhận được sự quan tâm, xem xét và đóng góp ý kiến quý báu của Quý Thầy, Cô và các học viên của lớp để đề tài Luận văn này hoàn thiện hơn. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hố Chí Minh, tháng 7 năm 2018 Người thực hiện Nguyễn Thế Dân
iii TÓM TẮT Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng áp bảy bậc một pha ” bao gồm các nội dung như sau: + Chương 1: Tổng Quan + Chương 2: Cơ sở lý thuyết + Chương 3: Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc cải tiến + Chương 4: Kết quả mô phỏng + Chương 5: Kết luận
iv ABSTRACT The thesis focuses on the issues related to "Study of one-stage seven-phase superimposed inverter system" including the following contents : + Chapter 1: Overview + Chapter 2: Theoretical Foundations + Chapter 3: Advanced seven-stage overcurrent configurations + Chapter 4: Simulation results + Chapter 5: Conclusions
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN .......................................................................................................... ii TÓM TẮT ............................................................................................................... iii ABSTRACT ............................................................................................................ iv MỤC LỤC ................................................................................................................ v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... ix Chương 1 .................................................................................................................. 1 TỔNG QUAN .......................................................................................................... 1 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................... 1 1.2 Mục đích của đề tài......................................................................................... 3 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ..................................................................... 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 3 1.5 Điểm mới của đề tài........................................................................................ 3 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài .............................................................................. 3 Chương 2 .................................................................................................................. 5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................... 5 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu .................................................................................. 5 2.1.1 Khái niệm ................................................................................................. 5 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp ...................................................................................... 5 2.1.3 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng ............................................. 6 2.2 Nghịch lưu tăng áp truyền thống .................................................................... 9 2.3 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T .................................................................. 10 2.3.1 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T .... 10 2.3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T ......... 11 2.4 Nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện .............................................. 12 2.4.1 Cấu trúc chuyển điốt tụ điện .................................................................. 13
vi 2.4.2 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện ............................................................................................................. 14 2.4.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện.................................................................................................................. 14 2.5 Nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện .................................................................. 17 2.5.1 Cấu trúc chuyển tụ điện (SC)................................................................. 17 2.5.2 Phương pháp điều khiển của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện .... 18 2.5.3 Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện ......... 19 Chương 3 ................................................................................................................ 21 CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU MỘT PHA TĂNG ÁP BẢY BẬC CẢI TIẾN ........ 21 3.1 Cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảybậc .............................................. 21 3.2 Phương pháp điều khiển tạo 7 bậc điện áp ngõ ra ........................................ 22 3.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc ............................................ 22 3.2.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 23 3.3 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện ...................................... 26 Chương 4 ................................................................................................................ 28 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................................ 28 4.1 Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0 .................................................. 28 4.2 Kết quả mô phỏng thực hiện với phần mềm PSIM ...................................... 28 4.2.1 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 5kHz ................................. 28 4.2.2 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 10kHz ............................... 35 4.2.3 Kết quả mô phỏng với tần số sóng mang là 15kHz ............................... 42 Chương 5 ................................................................................................................ 46 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 46 5.1 Kết luận ........................................................................................................ 46 5.2 Hướng phát triển ........................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 47
vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt MLIS Multi-level Inverter Nghịch lưu đa bậc Total Harmonic Distortion is THD Tổng méo hài thấp Low MLI Multi-level Configuration Cấu hình đa bậc Neutral Point Clamped NPC Dạng điối kẹp Multilevel Inverter Flying Capacitor Multilevel FC Dạng kẹp tụ Inverter CHB Cascade Inverter Dạng ghép tầng SC Switched- Capacitor Cấu trúc chuyển tụ điện
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: So sánh số linh kiện trong bộ nghịch lưu của 3 dạng cấu hình nghịch lưu............................................................................................................................. 8 Bảng 2.2: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ........ 12 Bảng 2.3: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện. ........................................................................................................................ 16 Bảng 2.4: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ........ 20 Bảng 3.1: Trạng thái hoạt động của mạch nghịch lưu đề xuất sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc. ......................................................................... 26
ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC. ...................................... 6 Hình 2.2: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng tụ kẹp. .................................... 7 Hình 2.3: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng cascade. ................................. 8 Hình 2.4: Cấu hình nghịch lưu tăng áp truyền thống. .............................................. 9 Hình 2.5: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ............................................ 10 Hình 2.6: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. .......... 10 Hình 2.7: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải của mạch .................... 12 Hình 2.8: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện. ........................ 13 Hình 2.9: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyển điốt tụ điện. ............................ 13 Hình 2.10: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc hình T. ........ 14 Hình 2.11: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ dương của mạch nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển điốt tụ điện. ....................................... 16 Hình 2.12: Cấu hình nghịch lưu tăng áp 5 bậc chuyển tụ điện. ............................. 17 Hình 2.13: Cấu trúc và trạng thái của mạch chuyển tụ điện. ................................. 18 Hình 2.14: Giải thuật tạo PWM cho mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ....... 18 Hình 2.15: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện tải trong bán kỳ dương của mạch nghịch lưu 7 bậc chuyển tụ điện. ........................................................... 19 Hình 3.1: Sơ đồ mạch nghịch lưu tăng áp bảy bậc. ............................................... 21 Hình 3.2: Giản đồ xung cho bộ nghịch lưu đề xuất với 7 bậc điện áp ngõ ra. ...... 22 Hình 3.3: Các trạng thái hoạt động và chiều dòng điện của mạch nghịch lưu khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung 7 bậc. .................................................. 25 Hình 4.1: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................... 28 Hình 4.2: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ......................................... 29 Hình 4.3: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ........................................ 29 Hình 4.4: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. ................ 29 Hình 4.5: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ............................. 30 Hình 4.6: Phổ tần số của điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ...... 30 Hình 4.7: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................... 31 Hình 4.8: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ......................................... 31 Hình 4.9: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ........................................ 32
x Hình 4.10: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 32 Hình 4.11: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 32 Hình 4.12: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 33 Hình 4.13: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 33 Hình 4.14: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 34 Hình 4.15: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 34 Hình 4.16: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 34 Hình 4.17: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 35 Hình 4.18: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 36 Hình 4.19: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 36 Hình 4.20: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 36 Hình 4.21: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 37 Hình 4.22: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 37 Hình 4.23: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 38 Hình 4.24: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 38 Hình 4.25: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 38 Hình 4.26: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 39 Hình 4.27: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 39 Hình 4.28: Xung điều khiển các khóa S1, S2, S3 và S4. ....................................... 40 Hình 4.29: Xung điều khiển các khóa T1, T2, T3 và T4. ...................................... 40 Hình 4.30: Điện áp sau mạch boost và Điện áp DC cấp cho nghịch lưu. .............. 40 Hình 4.31: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 41 Hình 4.32: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 42 Hình 4.33: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 42 Hình 4.34: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 43 Hình 4.35: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 43 Hình 4.36: Sóng mang e1, e2, e3 và Vref. ............................................................. 44 Hình 4.37: Điện áp ngõ ra của nghịch lưu trước và sau khi lọc. ........................... 44
1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo như là năng lượng mặt trời, gió đã được công nhận như là một thay thế có giá trị thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch vì những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường. Để đáp ứng với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng mới, hiệu suất ngõ ra của hệ thống nên được cải thiện thông qua việc nâng cao chất lượng dạng sóng điện áp ngõ ra, giảm tổn hao trên linh kiện và cũng làm giảm các bộ lọc ngõ ra và kích thước biến áp. Trong số các loại nghịch lưu phổ biến sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, nghịch lưu đa bậc (MLIS) [1] có thể tạo ra dạng sóng điện áp có dạng bậc thang đầu ra từ đó điện áp ngõ ra có chất lượng cao, tổng méo hài thấp (THD), tổn hao chuyển mạch thấp [2] và cũng không cần bộ lọc ngõ ra lớn [3]–[7]. Các điều kiện chính để tạo ra số lượng các cấp điện áp ngõ ra khác nhau của là sử dụng nhiều nguồn DC độc lập hoặc liên kết các nguồn DC ảo như tụ điện hoặc máy biến áp kết hợp với nhiều thiết bị chuyển mạch [8]. Các cấu hình đa bậc (MLI) phổ biến như: điốt kẹp (NPC) [9], kẹp tụ (FC) [10] và ghép tầng cascade (CHB) [11], [12]. Trong đó, các bộ nghịch lưu điốt kẹp và kẹp tụ sử dụng điốt và tụ điện để tạo ra các mức điện áp, và có thể thu được nhiều mức điện áp bằng cách tăng số lượng các nguồn DC. Tuy nhiên, cả hai cấu hình mạch và phương pháp điều khiển trở nên rất phức tạp cùng với sự gia tăng số bậc điện áp đầu ra. Hơn nữa, sự mất cân bằng của tụ điện là một khó khăn khác cần phải được giải quyết trong các loại cấu hình này. Một số cấu hình mở rộng cho NPC đã được giới thiệu trong [13]–[15]. Đối với các mạch nghịch lưu hoạt động ở số bậc điện áp cũng như yêu cầu công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu CHB được ưu tiên sử dụng nhờ vào những mô-đun cầu H tích hợp, từ đó dễ dàng mở rộng [16], [17]. Tuy nhiên, khi điện áp đầu ra có nhiều cấp hơn, số lượng các nguồn đầu vào sẽ tăng lên. Trong các nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng để tránh những hạn chế nói trên thông qua việc giới thiệu các cấu trúc đa bậc mới. Tuy nhiên, tạo
2 ra nhiều cấp điện áp đầu ra với số lượng tối thiểu của các nguồn điện DC độc lập ở ngõ vào và các thành phần đi kèm khác như mạch điều khiển và các thiết bị chuyển mạch là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu [18]–[22]. Nghịch lưu đa bậc được giới thiệu trong [23] với việc sử dụng nhiều mô-đun giúp dễ dàng mở rộng. Tuy nhiên, nó làm tăng số lượng tụ điện và khóa bán dẫn. Bộ nghịch lưu đa bậc sử dụng các nguồn DC nối tiếp đã được đề xuất trong [24] với việc sử dụng nhiều nguồn DC để giảm tổn thất chuyển mạch. Tuy nhiên, số lượng điện áp đầu ra phụ thuộc vào số lượng nguồn cấp DC. Bộ nghịch lưu sử dụng các nguồn cấp nối tiếp và song song để làm tăng số lượng các cấp điện áp đầu ra đã được đề xuất trong [25], tuy nhiên cấu hình là phức tạp và làm tăng tổn hao dẫn. Trong [26], một bộ nghịch lưu có khả năng tang và giảm điện áp và có số bậc ngõ ra lớn nhờ vào đặc tính của tụ điện, tuy nhiên sự mất cân bằng giữa các tụ điện rất dễ xảy ra. Sự thay thế cấu trúc nguồn cấp bằng một mạch chuyển tụ điện (SC) để giải quyết vấn đề giảm số lượng các nguồn cấp DC. Cấu trúc SC bao gồm một nguồn cấp với hai khóa bán dẫn chuyển mạch, một điốt và một tụ điện được kết hợp để giúp tụ điện chuyển đổi hoạt động trong nối tiếp hoặc song song với nguồn cấp. Ý tưởng của cấu trúc SC được giới thiệu trong [27]. Nhiều bộ nghịch lưu được dựa trên nguyên lý hoạt động của cấu trúc SC được giới thiệu trong [28]–[31]. Tuy nhiên, hầu hết các cấu trúc này có điện áp trên tụ chỉ bằng điện áp cung cấp, do đó điện áp đầu ra bị giới hạn. Trong luận văn này, một phương pháp điều chế mới được áp dụng cho một cấu hình được phát triển dựa trên bài báo được trình bày trong [32] để tạo ra bảy bậc điện áp ở ngõ ra, trong đó được sử dụng một nguồn cấp duy nhất và hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển mạch điốt tụ [33]. Cấu hình cải tiến giúp giảm số lượng linh kiện bán dẫn cũng như giúp giảm số mạch điều khiển so với các cấu hình truyền thống. Ngoài ra, bộ nghịch lưu đề xuất chỉ cần bốn công tắc làm việc ở tần số cao, trong khi với hai công tắc làm việc ở tần số thấp (50 Hz), giúp giảm thiểu những tổn thất chuyển mạch. Với cấu trúc đơn giản giúp dễ dàng kiểm tra hư hỏng.
3 1.2 Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu các cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc, từ đó cải tiến cấu hình và đề xuất giải thuật điều khiển, phân tích hoạt động, lựa chọn linh kiện và tính toán biểu thức điện áp ngõ ra. 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài Để đạt được mục đích trên, đề tài có các nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu cấu hình nghịch lưu tăng áp đa bậc. - Cải tiến cấu hình nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu một pha tăng áp bảy bậc. - Mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm PSIM. 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu về các bộ nghịch lưu, mạch tăng áp và các giải thuật điều khiển từ các tạp chí khoa học, các hội nghị chuyên môn, các bài báo công bố trên thư viện điện tử IEEE Xplore, IET Digital Library, Springer… - Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế PWM để điều khiển bộ nghịch lưu tăng áp đa bậc. - Ứng dụng các kỹ thuật điều chế PWM, xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng Psim. 1.5 Điểm mới của đề tài Cải tiến cấu hình nghịch lưu nhằm sử dụng ít các khóa bán dẫn hơn các cấu hình nghịch lưu thông dụng, đồng thời khắc phục được các hạn chế trong việc tăng áp ngõ ra nhờ một mạch tăng áp được kết hợp vào bộ nghịch lưu. 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài Đề tài có thể ứng dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV), pin nhiên liệu (fuel cell) hay điện gió, nơi mà cần chuyển đổi điện một chiều biên độ thấp thành điện xoay chiều điện thế cao, hoặc dùng trong các nhà thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời thay thế cho điện lưới khi mất điện… Nghiên cứu làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên chuyên ngành điện và điện tử, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất.
4 Các kết quả nghiên cứu còn có giá trị đối với việc chế tạo thiết bị nghịch lưu áp dùng trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện, các thiết bị nguồn điện áp công suất lớn và các ứng dụng khác liên quan đến năng lượng mới.
5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về nghịch lưu 2.1.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện, tương ứng ta có bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính chất là dòng điện. Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng. Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn áp. Các tải xoay chiều thường mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện. Trong các trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng, tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải. Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR). 2.1.2 Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra. Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng. Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng và kích ngắt dòng
6 điện qua nó, tức đóng vai trò một công tắc. Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch. Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một điốt mắc song song với nó. Các điốt này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược với chiều dẫn điện của các công tắc. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu điốt là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc. 2.1.3 Các cấu trúc nghịch lưu đa bậc thông dụng Có 3 dạng nghịch lưu đa bậc thông dụng:  Dạng điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter).   Dạng kẹp tụ (Flying Capacitor Multilevel Inverter).   Dạng ghép tầng (Cascade inverter).   Nghịch lưu điốt kẹp (NPC – Neutral Point Clamped Multilevel Inverter) Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là (n+1) bậc. Hình 2.1: Cấu hình mạch nghịch lưu năm bậc dạng NPC.  Ưu điểm: Bộ nghịck lưu NPC Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng điốt kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện  Nhược điểm: - Khi số bậc của bộ nghịch lưu lớn hơn 3 thì mức độ chịu gai áp trên các điốt