BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------
LÊ HOÀI THANH
NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202
Tp Hồ Chí Minh 11/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------
LÊ HOÀI THANH
NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
Tp Hồ Chí Minh 11/2015
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 nghệTP. HCM ngày
… tháng … năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS. NGUYỄN HÙNG Chủ tịch
2 TS. ĐOÀN THỊ BẰNG Phản biện 1
3 PGS.TS. PHAN VIỆT ANH Phản biện 2
4 PGS.TS. LÊ CHÍ KIÊN Ủy viên
5 TS.ĐINH HOÀNG BÁCH 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
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ HOÀI THANH Giới tính: NAM
Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1975 Nơi sinh: LONG AN
Chuyên ngành:KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV:1341830060
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Nhiệm vụ
Từ việc nghiên cứu tài liệu, đề tài cần mạch thực nghiệm để minh chứng cho
kết quả nghiên cứu, cho nên đề tài cần mô phỏng mạch. Từ đó lắp mạch thực
nghiệm cho thấy kết quả của quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu.
Nghiên cứu phương pháp điều chế.
Phân tích mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
Dùng phần mềm Matlab mô phỏng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
Lắp mạch thực nghiệm mạch nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
So sánh, đánh giá dạng sóng của mạch thực nghiệm so với kết quả mô
phỏng , từ đó phân tích, cải thiện mạch để sóng ngõ ra có dạng sin nhất
Nội dung
III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/12/2015
V- Cán bộ hướng dẫn:PGS. TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG
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
LÊ HOÀI THANH
ii
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo
Sau Đại Học, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Công Nghệ TPHCM đã điều
kiện cho tôi được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc với Thầy
PGS. TS Nguyễn Thanh Phương đã nhiệt tình giúp đỡ tôi khi thực hiện đề tài luận
văn tốt nghiệp này.
Tôi chân thành cám ơn thầy, cô Trường Đại Học Công Nghệ tp HCM,
Trường Đại Học Bách Khoa tp HCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những
kiến thức quý báu trong khóa học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên cùng khóa cũng đã giúp tôi trao đổi
kiến thức chuyên môn, tài liệu học tập...
Xin chân thành cảm ơn BGH, Thầy Cô Trường Cao Đẳng Nghề long an đã
tạo điểu kiện vể thời gian, thiết bị nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi kính mong nhận được
sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báo của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp
để luận văn được hoàn thiện tốt hơn.
Xin cám ơn.
iii
TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công suất nên việc chế tạo
các linh kiện điện tử công suất lớn không còn trở ngại. Các linh kiện công suất có
điện áp làm việc đến hàng nghìn vôn, công suất đến hàng kw.
Trong công nghiệp, nhất là trong kỹ thuật truyền động đòi hỏi điều chỉnh tốc
độ động cơ phải chính xác, thiết bị nhỏ gọn, tổn thất ít điện năng, đạt hiệu quả cao.
Nguồn cấp cho động cơ được đưa vào mạch chỉnh lưu, bộ nghịch lưu để biến đổi
nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều cung cấp cho động cơ. Với bộ nghịch lưu
này ta có thể điều khiển được tần số của chúng nên tần số ngõ ra thay đổi làm tốc độ
động cơ sẽ thay đổi theo
Bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu của bộ biến tần, ngoài ra bộ nghịch lưu
còn rất nhiều ứng dụng khác như máy hàn điện tử, bộ nghịch lưu nguồn trong hệ
thống pin mặt trời, nguồn UPS ....
Bộ nghịch lưu càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong
đời sống, tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của bộ nghịch lưu là dạng sóng ngõ ra
phải càng giống sin càng tốt. Xuất phát từ yêu cầu trên luận văn tập trung vào việc
nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu, phương pháp điều chế dạng sóng, sau đó
dùng phần mềm Matlab để mô phỏng để từ đó điều chỉnh thông số của mạch sao
cho kết quả ngõ ra của mạch nghịch lưu là tốt nhất. Trong luận văn này, tập trung
nghiên cứu, khảo sát và lắp mạch thực nghiệm dạng NPC 5 bậc, từ đó đánh giá
được kết quả nghiên cứu và các biện pháp khắc phục để dạng sóng ngõ ra đạt yêu
cầu
iv
ABSTRACT
Nowadays, with the strong development of power electronics to the
manufacture of electronic components power no longer obstacles. The power
electronics work with working voltages up to thousands of voltages, power up to
hundreds kW .
In industry, especially in technical control require adjusting the motor speed
to be accurate, compact, low power loss, high efficiency. The power of the motor is
put into rectifier, inverters convert the direct current into alternating current power
supply to the motor. With this inverter, we can control the frequency of the output
frequency, we should change the engine speed
Inverters are an important component of the inverter, inverter in addition
there are many other applications such as electronic welding machines, power
inverters in solar systems, UPS power ....
Inverter has been widely used in industry as well as in life, the criteria for
assessing the quality of the inverter output waveform to be as similar as possible
sin. Starting from the requirements on, thesis focuses on the study of the form
inverter circuit, waveform modulation methods, then use Matlab software simulate
so that adjustment of circuit parameters that result lane out of the best inverter
circuit. In this thesis, focused research, survey and experimental circuit assembly
NPC form 5 places, from which evaluate research results and the corrective
measures to waveform output desired unsatisfactory
v
MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn .................................................................................................................. ii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iii
Mục lục ........................................................................................................................ v
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................. vi
Chương 0 Mở đầu ............................................................................................ 1
1.1 Tỏng quan lĩnh vực nghiên cứu ................................................. 1
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh ......................................................... vii
1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........... 3
1.3. Mục đích của đề tài ............................................................................ 4
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài: ....................................................... 5
1.5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 5
1.6. Điểm mới của đề tài: ......................................................................... 6
Chương I. Tổng quan về nghịch lưu và nghịch lưu đa bậc ............................... 7
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài: ................................................................. 6
1. Sự cần thiết của bộ nghịch lưu ..................................................................... 7
2. Bộ nghịch lưu ............................................................................................... 9
2.1 Bộ nghịch lưu trực tiếp .................................................................. 9
2.2. Bộ nghịch lưu gián tiếp ........................................................................ 13
3.Bộ nghịch lưu đa bậc ....................................................................................... 18
3.1 Giới thiệu ....................................................................................... 18
3.2 Phân tích bộ nghịch lưu áp đa bậc ........................................................ 27
Chương II. Kỹ thuật điều chế .................................................................................. 32
1.Phương pháp điều chế sóng mang .................................................. 32
1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin ........................................... 32
1.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến .................................. 34
2. Điều chế vectơ không gian PWM ........................................................... 35
2.1 Khái niệm vectơ không gian ..................................................... 35
2.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc ............................... 36
Chương III. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 44
vi
1.Giới thiệu Matlab ..................................................................................... 44
2.Mô hình hóa mạch .................................................................................... 45
3. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 47
Chương IV. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 52
1. Giới thiệu kit STM32F4 ............................................................................. 52
2. Sơ đồ mạch động lực ................................................................................... 59
3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 64
Chương V. Đánh giá và hướng phát triển đề tài .................................................... 65
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 66
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DSP : Digital Signal Processor
IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor
PLL : Phase Locked Loop
PWM : Pulse-Width Modulation
SVM : Space Vector Modulation
SPWM : Space vector Pulse-Width Modulation
viii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn và dòng điện của nguồn cấp.. 10
Hình 1.2 Mạch nghịch lưu trực tiếp. ...................................................................... ...12
Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp. ................................................................... 14
Hình 1.4 Các dạng mạch nghịch lưu ......................................................................... 14
Hình 1.5 Mạch nghịch lưu dòng ............................................................................... 15
Hình 1.6 Mạch nghịch lưu 3 pha ...................................................................... .....16
Hình 1.7 Mạch nghịch lưu dòng 3 pha ...................................................................... 17
Hình 1.8 Mạch nghịch lưu NPC ............................................................................. ...21
Hình 1.9 Nghịch lưu đa bậc dạng dùng tụ điện thay đổi ......................................... 22
Hình 1.10 Dạng Cascade Inverter...........................................................................24
Hình 1.11 Dạng Cascade Inverter dùng biến áp.......................................................25
Hình 1.12 Nghịch lưu 5 bậc NPC 3 pha.................................................................... 27
Hình 1.13 Nghịch lưu 5 bậc NPC 1 pha ............................................................... .. .30
Hình 2.1 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển ................................ 33
Hình 2.2 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển ................................ 35
Hình 2.3 Nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade ............................................................. 37
Hình 2.4 Vector không gian của điều chế đa bậc ...................................................... 39
Hình 2.5 Nguyên lý điều chế vector không gian ....................................................... 40
Hình 3.1 Mạch mô phỏng bộ nghịch lưu 5 bậc NPC ................................................ 46
Hình 3.2 Dạng sóng xung kích IGBT pha A. ........................................................... .47
Hình 3.3 Dạng sóng xung kích IGBT pha B ............................................................. 47
Hình 3.4 Dạng sóng xung kích IGBT pha C ............................................................. 48
Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển sin và sóng mang tam giác ..................................... 48
Hình 3.6 Điện áp 3 pha - tâm nguồn DC .................................................................. 49
Hình 3.7 Điện áp pha tải 3 pha .................................................................................. 49
Hình 3.8 Điện áp pha tải sau khi qua bộ lọc thông thấp ........................................... 50
Hình 3.9 Dòng điện tải 3 pha .................................................................................... 50
Hình 4.1 Biểu đồ sự phát triển dòng ARM...............................................................52
Hình 4.2 Ứng dụng của STM .................................................................................... 52
ix
Hình 4.3 Cấu trúc của STM32F4 .............................................................................. 54
Hình 4.4 Kit STM32F4 ............................................................................................. 55
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí của STM32F4. ........................................................................ 56
Hình 4.6 Sơ đồ mạch động lực..................................................................................59
Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mạch động lực....................................................................60
Hĩnh 4.8 Mạch Kit STM32F4.................................................................................. . 61
Hình 4.9 Mạch đệm xung kích..................................................................................61
Hình 4.10 Mạch nguồn cấp mạch động lực .............................................................. 62
Hình 4.11 Mạch công suất 1 pha. ............................................................................. .62
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu.... ................................................. .....63
Hình 4.13 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu kết nối với tải................ .............. .....62
Hình 4.14 Dạng sóng kích pha A.. .......................................................................... .64
1
CHƯƠNG 0 MỞ ĐẦU
1.1. ực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
ước
1.1.1 c h ực iê cứ
- Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong
những mạchđiều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
- Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi
và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp
nguồn cho những phụ tải một pha, ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong
công nghiệp…Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần
số được mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng
được cải tiến dần.
- Hiện nay, các linh kiện điện tử công suất được ứng dụng rất nhiều trong công
nghiệp, đặc biệt trong kỹ thuât truyền động để điều khiển tốc độ động cơ trong
nghiệp...Đó chính là bộ biến tần ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
cũng như trong đời sống. Bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu của bộ biến tần, các
bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, máy hàn điện tử,
nghịch lưu hòa lưới...Bộ nghịch lưu còn được ứng dụng trong các thiết bị chuyển
đổi trong gia đình bộ nghịch lưu dùng trong pin mặt trời, nguồn UPS.. Hiện nay, các
bộ nghịch lưu còn được nghiên cứu và phát triển nhằm đạt được yêu cầu cao về chất
lượng cũng như giảm tổn hao công suất trên các van.
1.1.2 Các kết ả tro à oài ước được cô bố
1.1.2.1. Tình hình nghiên cứ tro ước:
- Năm 2012, tại hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về cơ điện tử - VCM – 2012
nhóm tác giả Nguyễn Văn Nhờ, Đới Văn Môn, Trần Quốc Hoàn, Quách Thanh Hải
đã trình bày một nghiên cứu nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong
nghịch lưu 3 bậc NPC, với số lần chuyển mạch cao và THDUta = 50,99% [9].
- Trong luận án tiến sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều
khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, tác giả Quách Thanh Hải đã phân tích các cấu trúc
2
nghịch lưu đa bậc bao gồm các nghịch lưu chuẩn truyền thống và các mạch nghịch
lưu lai hiện nay (bằng mô phỏng và thực nghiệm) [11].
- Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Lê Đình Khoa, Giải thuật điều chế
vector không gian cải tiến cho nghịch lưu ba pha bốn khóa, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Viện KHCN Việt Nam, Tập 46- Số 6, 2008
Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Lê Đình Khoa, Giải thuật điều chế
vector không gian cải tiến cho nghịch lưu ba pha bốn khóa, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Viện KHCN Việt Nam, Tập 46- Số 6, 2008
Phan Quoc Dung, L.D.Khoa. L.M.Phuong, H.T.Thanh, Phương pháp điều
chế véc –tơ không gian cải tiến cho bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa trong điều kiện
mất cân bằng áp tụ DC, Tạp chí Khoa học công nghệ 6 trường ĐH, số 70, p.12-17,
2009
1.1.2.2. Tình hình nghiên cứ oài ước
Có khá nhiều nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đề tài đã đề xuất trong đó
phải kể đến các nghiên cứu sau:
A Three Phase Three-level PWM Switched Voltage Source Inverter
with Zero Neutral Point Potential
Won-Sik Oh*, Sang-Kyoo Han*, Seong-Wook Choi* and Gun-Woo Moon† Dept.
of Electrical Engineering and Computer Science, Korea Advanced Institute of
Science and Technology, Korea
- Nhóm tác giả nghiên cứu và mô phỏng mạch nghịch lưu 3 bậc 3 pha và so sánh
với mạch nghịch lưu có số bậc cao hơn, từ đó đánh giá được chất lượng của mạch.
Design and Implementation of Seven Level Cascaded H-Bridge Inverter Using
Low frequency transformer with Single DC Source
T. Singaravelu1, M.Balasubramani2 , J.Gowrishankar3
School of Electrical and Electronics Engineering, SASTRA University,
Tirumalaisamudram,Thanjavur,Tamilnadu-613 401
- Tác giả mô phỏng nghịch lưu 7 bậc dạng cầu cascade với biến áp ngõ ra, so sánh
với mạch thực nghiệm để đánh giá chất lượng của mạch
Operation and Design of Multilevel Inverters
Dr. Keith Corzine
3
University of Missouri - RollaDeveloped for the Office of Naval Research
December 2003
- Tác giả nghiên cứu về hoạt động và khảo sát các dạng sóng của các dạng mạch
nghịch lưu có nhiều bậc, từ đó đánh giá chất lượng của từng dạng mạch cũng như
ưu, khuyết điểm của từng dạng mạch
Hybrid 5-level inverter fed induction motor drive
Dr. P.V.V. Rama Rao_, P. Devi Kiran, A. Phani Kumar
Department of Electrical and Electronics Engineering, Shri Vishnu Engineering
College for Women Bhimavaram - 534
202, Andhra Pradesh, India
- Tác giả mô phỏng và phân tích dạng sóng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng cầu H với
sóng điều chế SVPWM
Analysis of Cascaded Five Level Multilevel Inverter UsingHybrid Pulse Width
Modulation
M.S.Sivagamasundari1, Dr.P.Melba Mary2
1Assistant Professor,2Principal,Department of EEE,V V College of
Engineering,Tisaiyanvilai
- Tác giả phân tích và mô phỏng mạch nghịch lưu 5 bậc dạng cascade với phương
thức điều chế độ rộng xung PWM
1.2. Tính cấp thiết củ đ tài, ý k o ọc và thực tiễn của đ tài
- Với các ứng dụng bộ nghịch lưu trong thực tế, hiệu quả kinh tế của nghịch
lưu đem lại. Việc cần nghiên cứu về cấu tạo, phương thức điều chế để tạo ra các bộ
nghịch lưu với chất lượng cao nhất để phục vụ trong ngành điện ngày càng hiệu quả
cao hơn là cần thiết nhất hiện nay.
- Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, nhất là công nghệ sản xuất vi mạch đạt
đến công nghệ IC đã cho ra đời các chíp, kit thông dụng và được sử dụng rộng rãi
như hiện nay. Linh kiện điện tử công suất lớn cũng đã sản xuất suất lớn đến vài kw
và điện áp làm việc lên đến hàng kv. Với các điều kiện thuận lợi trên, việc nghiên
cứu và thực nghiệm các mạch nghịch lưu để ứng dụng hiệu quả trong thực tế là cần
thiết.
4
- Ngày nay, với sự phát triển các kit đã tạo bước đột phá trong việc ứng dụng
các kit này vào việc nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế mà điển hình là ứng dụng
kit STM32F4 vào thực nghiệm mạch nghịch lưu năm bậc.
- Giải thuật điều khiển hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý với tốc độ rất
nhanh. Công cụ để thực hiện triệt để vấn đề này tại thời điểm hiện nay là KIT
STM32F4 kết hợp với Matlab. Đây là một công cụ mạnh, linh hoạt mà giá thành lại
rất phù hợp.
- Việc kết hợp giữa KIT STM32F4 và Matlab sẽ tạo ra nhiều bộ điều khiển
linh hoạt, giúp người học hiểu rõ hơn các giải thuật điều khiển trong lĩnh vực tự
động hóa mà không cần thiết phải thí nghiệm trên nhiều đối tượng.
1.3. Mục đíc củ đ tài
- Nghiên cứu các giải thuật điều chế sóng mang, sòng điều chế, từ đó chọn
giải thuật điều chế phù hợp với yêu cầu.
- Nghiên cứu các dạng mạch nghịch lưu, ưu khuyết điểm của từng dạng
mạch, từ đó lựa chọn dạng mạch thích hơp để nghiên cứu, mô phỏng trên Matlab để
đánh giá các dạng sóng mô phỏng
- Thiết lập mô hình mạch thực nghiệm, từ kết quả của mô hình ta đánh giá lại
kết quả của quá trình nghiên cứu, đồng thời từ kết quả này ta đưa ra cá biện pháp
khắc phục các tồn tại của mạch nghịch lưu năm bậc
1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài:
- Về lý thuyết, đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các giải thuật nghịch điều chế
xung chế, các dạng mạch nghịch lưu đa bậc. Từ các nghiên cứu trên luận văn đề
xuất giải thuật tạo xung cũng như chọn dạng mạch nghịch lưu đa :
- Thành lập mô hình mạch và mô phỏng mạch nghịch lưu năm bậc trên
Matlab
- Thiết lập mô hình và lập trình nhúng kit STM32F4 bằng Matlab simulink
để chạy chương trình mô phỏng
- Các giải thuật đề xuất sẽ được kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình thực
nghiệm và được so sánh với các giải thuật chuẩn để có các kết luận khoa học và
chính xác.
- Đánh giá, báo cáo các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm :
5
- Với những ưu điểm của kỹ thuật điều chế cũng như dạng mạch nghịch lưu
NPC thì dạng nghịch lưu này vẫn còn những hạn chế chưa được khắc phục :
* Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại
* Vấn đề điện áp common mode chưa khắc phục
* Tổn hao công suất trên các van
1.5. P ươ p áp iê cứu
- Nghiên cứu nhu cầu và ứng dụng của bộ nghịch lưu đa bậc
-Nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, kết hợp mô phỏng và
thực nghiệm.
- Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng Matlab
- Lập trình điều khiển trên kti STM32F4 và được kiểm chứng bằng thực tế.
- Nhận xét đánh giá và so sánh kết quả : Thiết kế mạch thực nghiệm, đánh giá
toàn bộ chất lượng của mạch thực nghiệm. Từ đó đưa ra kết quả sau cùng của quá
trình nghiên cứu, đồng thời từ kết quả của thực nghiệm ta điều chỉnh các thông số
sao cho đạt yêu cầu đặt ra
1.6. Điểm mới củ đ tài:
-Trên cơ sở giải thuật điều chế sóng mang, luận văn đã tiến hành nghiên cứu,
tổng hợp và thực nghiệm nhằm đánh giá kết quả của quá trình nghiên cứu .
-Với kit STM đa dụng, giá thành rẻ sẽ đem lại hiệu quả kinh tế so với các kit
chuyên dụng giá thành cao.
-Từ kết quả mô phỏng Matlab simulink, ta nhúng vào kit STM .Đây là điểm
mạnh của kit. Như vậy, với mỗi kit ta có thể chạy nhiều chương trình mà rất hiệu
quả
- Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm có thể được ứng dụng cho các
nghiên cứu về nghịch lưu
1.7. Giá trị thực tiễn củ đ tài:
- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các dạng nghịch lưu bậc cao hơn
- Xác định được các giải thuật điều chế sóng mang, kết hợp với kit STM để
điều khiển các van sao cho dạng sóng đạt yêu cầu
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để giải quyết vấn đề tối ưu hoá trong
mạch nghịch lưu đa bậc thực tế.
6
- Xây dựng được mô hình nghịch lưu đa bậc căn bản, có thể tăng số bậc
nghịch lưu và có khả năng chuyển sang các cấu hình nghịch lưu với số bậc thấp
hơn để thực hiện các thực nghiệm theo các yêu cầu khác.
7
CHƯƠNG I. ỔNG QUAN VỀ NGHỊCH LƯU VÀ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC
1. Giới thiệu bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện 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 áp và bộ nghịch dòng.
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. Các bộ nghịch lưu là bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần. Ứng
dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền động
điện, điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực
tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị
hàn trung tần. Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu
cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu
còn được ứng dụng vào lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng.
Ngày nay, linh kiện điện tử công suất lớn được sản xuất và sử dụng nhiều
trong các lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện
năng, dùng trong công nghiệp... Đặc biệt linh kiện điện tử được dùng trong các ứng
dụng có công suất cao và tần số làm việc lớn. Do đó vấn đề linh kiện không còn là
trở ngại, các linh kiện này có thể làm việc với áp hàng nghìn volt, công suất có thể
lên đến vài kw, vì vậy bộ nghịch lưu có thể lam việc với các cấp điện áp cao hơn
và thiết bị sẽ được điều khiển tốt hơn.
Các bộ điều khiển tốc độ động cơ được áp dụng rộng rãi với hiệu suất cao
như máy nghiền, máy bơm, quạt... các bộ điều khiển này là các biến tần 2 bậc nhỏ
gọn, dễ điều khiển nhưng nó chỉ phù hợp với công suất nhỏ, hơn nữa dạng sóng
điện áp ngõ ra có thành phần hài bậc cao khá lớn và tổn hao tương đối lớn. Để cải
thiện chất lượng dạng sóng ngõ ra thì bộ nghịch lưu đa bậc được áp dụng, với ưu
điểm như giảm định mức dv/dt trên từng linh kiện làm tăng công suất của bộ
nghich lưu và dạng sóng ở ngõ ra được cải thiện rất tốt.
Hiện nay có nhiều phương pháp điều khiển cho nghịch lưu đa bậc được
nghiên cứu và ứng dụng như phương pháp điều chế độ rộng xung sin SPWM,
8
phương pháp điều chế vectơ không gian SVPWM đã cho kết quả nhất định. Tuy
nhiên, các phương pháp này gặp khó khăn trong việc điều khiển các van. Và một
trong những phương pháp điều khiển nghịch lưu đa bậc đơn giản hơn nhờ sự hổ trợ
của kỹ thật số cũng như dựa vào những ưu điểm của kỹ thuật đa điều chế.
Những năm gần đây, sự phát triển công nghệ vi mạch rất cao thì khả năng
tích hợp các chip xử lý càng lớn, các vi xử lý, các vi điều khiển ngày càng được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Nội dung luận văn
nghiên cứu và thực nghiệm với ứng dụng của kit STM32F4 điều khiển mạch
nghịch lưu 5 bậc dạng NPC.
Các ư điểm ịc ư đ bậc:
Bộ nghịch lưu dạng NPC mà đề tài nghiên cứu sử dụng thích hợp khi các
nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode
kẹp có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ
chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến
dạng sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu
ba bậc, dv/dt trên linh kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Công suất bộ nghịch
lưu áp tăng lên, đối với tải có công suất lớn thì điện áp cung cấp cho tải có thể đạt
giá trị lớn. Điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình
đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng ngắt thì các thành
phần sóng hài bậc cao của điện áp ngõ ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu 2 bậc
Xuất phát từ nhu cầu thực tế của bộ nghịch lưu đa bậc và yêu cầu của luận
văn đặt ra cho luận văn này là nghiên cứu các dạng nghịch lưu, các phương pháp
điều chế ... để từ đó nghiên cứu để tạo ra các bộ nghịch lưu đạt hiệu quả cao và
được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
Trong nội dung luận văn nghiên cứu :
Nghiên cứu các dạng nghịch lưu
Nghiên cứu các phương pháp điều chế xung kích
Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển nghịch lưu 5 bậc dạng NPC
Khảo sát tính ổn định ở trạng thái xác lập khi đáp ứng tải là động cơ
không đồng bộ 3 pha
9
Khảo sát dạng sóng điện áp ngõ ra va đưa ra biện pháp xử lý dạng
sóng để đạt kết quả cao nhất.
2. Bộ ịc ư .
2.1 Bộ ịc ư trực tiếp:
Bộ nghịch lưu trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch song song nối ngược như
hình vẽ. Trên đồ thị dạng sóng của bộ nghịch lưu ta thấy công suất tức thời của bộ
nghịch lưu bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng
điện của bộ nghịch lưu dương, bộ nghịch lưu lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải.
Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong bộ nghịch lưu
âm nên bộ nghịch lưu biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới.
2.1.1 N yê ý àm iệc củ bộ ịc ư trực tiếp:
Để thấy được nguyên lý hoạt động, ta xét mạch hoạt động của mạch nghịch
lưu như hình vẽ (hình a). Đầu vào của bộ nghịch lưu là điện xoay chiều một pha,
đầu ra là một phụ tải một pha thuần trở. Nhóm chuyển mạch nối theo sơ đồ hai pha
nửa chu kì.
Hình 1.1 Biểu diễn khoảng dẫn của các van bán dẫn và dòng điện của nguồn cấp.
10
Nhóm chuyển mạch dương được kí hiệu bắng chữ P (Positive), nhóm âm kí
hiệu bằng chữ N (Negative). Dạng sóng dòng điện được vẽ như hình b, cụm P chỉ
dẫn trong năm nửa chu kì của điện áp, các thyritor được mồi không có trễ, điều đó
có nghĩa là coi P như là bộ chỉnh lưu diode. Trong năm nửa chu kì sau chỉ có nhóm
N dẫn để tổng hợp ra phần điện áp âm của nửa chu kì điện áp ra. Theo dạng sóng
của điện áp biểu diễn trên hình b thì tần số điện áp ra bằng 1/5 tần số điện áp vào.
Dạng sóng điện áp này gần với dạng của sóng điện áp hình chữ nhật và có chứa một
số lượng khá lớn các thành phần sóng hài.
- Ta thấy dòng điện chảy qua van bán dẫn là 1/2 sóng hình sin còn dòng điện
nguồn cấp là hoàn toàn sin. Việc điều khiển các van bán dẫn như trên không mang
lại hiệu quả cao trong điều khiển, sóng điện áp ra có độ sin không cao. Muốn sóng
ra có dạng sin cao phải điều khiển thay đổi khoảng dẫn của các van thay đổi theo
một qui luật nhất định. Hình d biểu diễn gần đúng một sóng hình sin được tổng hợp
bằng cách điều khiển các thời điểm mồi các thyristor.
- Phương pháp này cùng với việc điều chỉnh pha làm giảm các điều hòa bậc cao
của dạng sóng điện áp đầu ra so với dạng sóng điện áo cho trước. Theo các dạng
sóng của dòng điện trên hình e dòng điện ra mang nhiều thành phần đập mạch ứng
với tần số nguồn, dòng điện của mạch bị biến dạng nhiều.
2.1.2. L ật đi k iể ịc ư trực tiếp:
- Để thuận tiện trong việc xem xét luật điều khiển của một nhóm chỉnh lưu
nghịch lưu ta gọi góc mở của một nhóm là α. Góc α phải được điều khiển sao cho trị
số điện áp ra trung bình trong từng khoảng của các nhóm hợp thành dạng sóng tức
thời của nghịch lưu có dạng như mong muốn.
-Thông thường trong các mạch điều khiển ta thường điều khiển theo hàm
arccos nên giá trị góc α phải biến thiên theo qui luật hình sin theo thời gian với chu
kì điện áp ra của bộ nghịch lưu.
11
Hình 1.2 Mạch nghịch lưu trực tiếp
Dạng sóng biểu diễn trong hình được vẽ trong trường hợp biên độ ra lớn
điện áp ra có thẻ đạt được. Cho nhóm dương làm việc để có điện áp ra cực đại,
dạng sóng ứng điện áp ra ứng với góc mở bằng 0. Chuyển mạch tiếp theo phải thỏa
mãn một giá trị sao cho điện áp ra đạt giá trị như mong muốn. Các giao điểm của
sóng sin chuẩn (dạng điện áp đấu ra như mong muốn) với các sóng cosin được vẽ
với cực đại tại các thời điểm góc mở bằng 0 xác định thời điểm kích mở các
thyristor. Hình vẽ trên biểu diễn đầu ra của nhóm dương. Ta cần phải chú ý rằng
trong chế độ chỉnh lưu góc mở của vanbán dẫn nhỏ hơn 900 (góc mở αpl ) nhưng trong chế độ nghịch lưu, trong nửa chu kì âm, góc mở phải lớn hơn 900 (góc mở αp2 ), góc βp2 là
góc mở vượt trước hay góc mở nhanh.
- Quá trình xác định hoạt động cuả nhóm âm được tiến hành tương tự. Trong
quá trình mở các van có thể tiến hành cho mở sớm hơn để quá trình chuyển mạch
kết thúc sớm hơn.
- Để giảm điện áp đầu ra ta tiến hành giảm biên độ của sóng sin chuẩn ở giá trị
như mong muốn. Quá trình giảm điện áp ra đi liền với đó là thành phần sóng hài
trong dòng điện cũng tăng lên.
- Quá trình điều khiển bộ nghịch lưu trực tiếp là quá trình quá phức tạp. Sơ đồ
mạch điều khiển được trình bày trên hình 1.9. Tín hiệu phát điện có dòng điện vòng
trong bộ biến đổi sẽ chuyển tín hiệu kích mở từ nhóm này sang nhóm khác để đảm
bảo phải có một nhóm bị khóa.
12
2.2. Bộ ịc ư iá tiếp.
- Bộ nghịch lưu trực tiếp có ưu điểm là có thể đưa ra một công suất khá lớn ở
đầu ra nhưng có một số nhược điểm sau:
- Chỉ có thể cho điện áp ra có tần số nhỏ hơn tần số điện áp lưới.
- Khó điều khiển ở tần số nhỏ vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn.
- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
- Sóng điện áp đầu ra không thật sự gần sin.
- Chính vì những đặc điểm trên mà một loại nghịch lưu khác được đưa ra để
nâng cao chất lượng trong cung cấp nguồn đó là nghịch lưu gián tiếp. Bộ nghịch
lưu gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ nghịch lưu trực tiếp ở
trên.
-Trong bộ nghịch lưu gián tiếp thì trước khi được nghịch lưu điện áp lưới
được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lưu diode hoặc bộ chỉnh lưu
có điều khiển. Điện áp một chiều được qua một bộ lọc để cung cấp cho bô nghịch
lưu một nguồn điện áp một chiều tương đối ổn định cho mạch nghịch lưu.
Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp có sơ đồ khối như hình vẽ:
Lọc ĐC Chỉnh lưu Nghịch lưu
Hình 1.3 Sơ đồ bộ nghịch lưu gián tiếp.
2.2.1. Nguyên lý oạt độ củ bộ ịc ư iá tiếp:
- Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50/60 Hz) được chỉnh lưu thành
nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển (chỉnh lưu diode) hoặc
chỉnh lưu có điều khiển (chỉnh lưu thyristor), sau đó được lọc và được bộ nghịch
lưu (NL) sẽ biến đổi thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi. Tùy thuộc vào bộ
chỉnh lưu và nghịch lưu như hình vẽ mà ta chia bộ nghịch lưu gián tiếp thành ba
loại:
13
Hình 1.4 Các dạng mạch nghịch lưu
- Bộ nghịch lưu nguồn dòng điện, chỉnh lưu thyristor (hình a)
- Bộ nghịch lưu nguồn điện áp, chỉnh lưu thyristor (hình b)
- Bộ nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung (PWM) (hình c)
2.2.2 Bộ ịc ư ồ dò - c ỉ ư có đi k iể
2.2.2.1 Bộ ịc ư 1 p
Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có điều
khiển, thường là dùng SCR, điện áp một chiều sau đó được đưa qua cuộn kháng
lọc. Cuộn kháng lọc có tác dụng biến nguồn điện sau chỉnh lưu thành nguồn dòng
cung cấp cho mạch nghịch lưu. Đối với bộ nghịch lưu dòng điện cung cấp từ nguồn
diện một chiều thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào hiện tượng của bộ
nghịch lưu trong khoảng làm việc trước đó. Trong thực tế thì bộ nghịch lưu nguồn
dòng được cung cấp bằng nguồn điện một chiều qua cuộn dây có điện cảm lớn,
điều đó cho phép làm thay đổi điện áp của bộ nghịch lưu
14
Hình 1.5 Mạch nghịch lưu dòng
Các biến thiên dòng điện được cân bằng nhờ Ldi/dt. Nhưng do di/dt
nhỏ nên nguồn dòng trong thực tế không thay đổi trong thời gian ngắn. Chuyển
mạch đơn giản nhất của bộ nghịch lưu có dòng điện không đổi chỉ cần có các tụ
điện . Ta xét một mạch đơn giản có sơ đồ như hình vẽ. Khi các T1 và T2 dẫn, các
tụ điện tích đện dương trên các bản cực trái. Việc kích mở T3 và T4 làm các tụ
điện nối vào các cực của T1 và T2 tương ứng để khóa chúng lại. Bây giờ dòng điện
đi qua T3 C1 D1 qua tải sau đó qua D2 C2 T4 và về nguồn. Điện áp trên hai cực
của tụ điện sẽ đảo chiều ở một số thời điểm nhất định phụ thuộc vào điện áp của
tải, các diode D3 D4 bắt đầu dẫn. Dòng diện nguồn sau một thời gian ngắn sẽ
chuyển từ D1 sang D3 và từ D4 sang D2. Cuối cùng các diode D1 và D2 ngưng
dẫn khi dòng điện qua tải hoàn toàn ngược chiều. Điện áp trên các tụ đổi chiều
chuẩn bị cho nữa chu kỳ sau
2.2.2.2 Bộ ịc ư b p
Sơ đồ bộ nghịch lưu 3 pha
Hình 1.6 Mạch nghịch lưu 3 pha
15
- Dòng điện cấp cho động cơ có dạng xung chữ nhật và có biên độ không đổi
nên sụt áp trên điện cảm tản của stator bằng không và sụt áp trên điện trở stator
không đổi. Do đó điện áp trên hai cực của động cơ được tạo ra bởi tải, không phải
do mạch nghịch lưu.
Hình 1.7 Mạch nghịch lưu dòng 3 pha
- Dây quấn 3 pha được bố trí đối xứng, nên điện áp qua động cơ có dạng gần
với điện áp hình sin. Trong trường hợp lý tưởng thì dòng điện có dạng hình chữ
nhật có biên độ không thay đổi. Nhưng thực tế quá trình chuyển mạch của SCR
không phải tức thời , các SCR cần có thời gian để dẫn và khóa hoàn toàn, nên dạng
sóng của dòng điện không phải là vuông hoàn toàn. Trong thời gian các T1 và T2
dẫn dòng, dòng điện pha ia = -ib, các tụ chuyển mạch nạp điện có cực tính như
hình vẽ. Khi có xung mở T2, T2 sẽ dẫn và T6 sẽ bị khóa do điện áp ngược. Do tải
có tính cảm dòng điện Id không bị gián đoạn ngay mà sẽ khép mạch qua D6 -C12
song song với mạch nối tiếp C46 - C42 - T2 nạp cho tụ C62, điện áp trên tụ C62
tăng tuyến tính cho đến khi ic xuất hiện, bắt đầu chuyển dòng của D6 cho D2, tức
là chuyển dòng từ pha a sang pha b. kết thúc quá trình chuyển mạch ib =0 và ic =
id và tụ C62 phân cực ngược lại
16
Ư điểm củ ịc ư ồ dò :
- Có khả năng vượt qua được các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng
thái làm việc bình thường
- Có khả năng hãm tái sinh trả năng lượng về lưới bằng đảo dấu cực tính điện
áp một chiều trong khi chiều dòng điện không đổi chiều. Vì vậy không cần yêu cẩu
thêm bộ chỉnh lưu đảo chiều điện áp. Sư làm việc của động cơ khi độ trượt âm sẽ
tự động đảo dấu điện áp một chiều vì dòng điện một chiều là đại lượng được điều
khiển . Do đó trong bộ nghịch lưu nguồn dòng năng lượng sẽ tự động nghịch lưu
trả về lưới
3.Bộ ịc ư đ bậc
3.1 Giới t iệ
3.1.1 K ái iệm
- Như ta đã biết, các bộ nghịch lưu chứa hai van ngắt dẫn trên mỗi nhánh pha
tải được gọi chung là bộ nghịch lưu áp hai bậc. Chúng được sử dụng rộng rãi để
điều khiển tốc độ động cơ có công suất vừa và nhỏ. Khái niệm hai bậc được xuất
phát từ quá trình điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn trên
mạch thay đổi giữa hai bậc giá trị khác nhau, bộ nghịch lưu hai bậc có nhiều nhược
điểm là điện áp cung cấp cho stator động cơ với độ dốc dv/dt khá lớn, sức chịu
đựng về dòng và áp các van tương đối lớn, nhiễu sóng hài cao từ đó gây tổn hao
công suất lớn. Bộ nghịch lưu áp đa bậc được phát triển dựa trên nền tảng nghịch
lưu áp hai bậc, bộ nghịch lưu đa bậc giải quyết các vấn đề tồn tại của bộ nghịch lưu
hai bậc và thường được sử dụng cho các ứng dụng có điện áp cao, dòng cao và có
công suất lớn.
Ư điểm ịc ư đ bậc :
Công suất của bộ nghịch lưu đa bậc rất lớn
Điện áp đặt lên các linh kiện công suất thấp nên công suất tổn hao do
quá trình đóng ngắt của linh kiện giảm theo
Với cùng tần số làm việc thì các thành phần sóng hài bậc cao của điện
áp ra giảm
17
3.1.2 P â oại bộ ịc ư áp
- Nguồn điện cung cấp cho bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ : pin quang
điện, ăccu, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc, ...Các van dùng trong bộ
nghịch lưu áp có khả năng chịu được đóng ngắt tần số cao và áp làm việc lớn.
Trong các bộ nghịch lưu công suất nhỏ và vừa thì ta có thể dùng BJT, MOSFET,
IGBT. Ở các bộ nghịch lưu công suất lớn thì dùng GTO, IGBT hoặc SCR.
- Bộ nghịch lưu có rất nhiều loại, ta có thể phân loại chúng theo nhiều
phương pháp sau:
-Theo số pha điện áp ngõ ra ta có : bộ nghịch lưu 1pha, 3 pha
-Theo cấp điện áp giữa pha tải với 1 điểm điện áp chuẩn trên mạch ta có : bộ
nghịch lưu 2 bậc, bộ nghịch lưu 3,5 bậc...
-Theo kết cấu mạch công suất ta có : dạng cascade, dạng diode kẹp, dạng tụ kẹp...
-Theo phương pháp điều khiển :
- Phương pháp điều rộng xung,
- Phương pháp điều biên,
- Phương pháp điều chế độ rộng xung
- Phương pháp điều chế vectơ không gian
3.1.3 Sơ đồ các dạ ịc ư đ bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
• Dạng diode kẹp NPC (Diode Clamped Multilevel Inverter).
• Dạng dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter).
• Dạng ghép tầng cascade (Cascade Inverter).
Cấ trúc dạ Diode kẹp NPC (Diode C mped M ti e e I erter)
- Sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ
nghịch lưu đa bậc chứa các cặp diode kẹp 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 nhánh mạch DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp. Điện
áp pha - nguồn DC (phase to pole voltage) có thể đạt được (n+1) giá trị khác nhau
và từ đó bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp (n+1) bậc. Ví dụ chọn mức
điện thế 0 ở cuối dãy nguồn, các mức điện áp có thể đạt được gồm (0, U,
2U,3U,…nU). Điện áp từ một pha tải (ví dụ pha a) thông đến một vị trí bất kỳ trên
18
mạch DC (ví dụ M) nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó (ví dụ D1, D1’). Để điện áp pha -
nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên (Uao = U), tất cả các linh kiện bị kẹp giữa
hai diode (D1, D1’) - gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau, phải được kích
đóng (ví dụ S1, S5’, S4’, S3’, S2’), các linh kiện còn lại phải được khoá theo
nguyên tắc kích đối nghịch. Tương ứng với sáu trường hợp kích đóng linh kiện bị
kẹp giữa sáu cặp diode, ta thu được sáu mức điện áp pha - nguồn DC: 0, 1U, 2U,
3U, 4U, 5U. Vì có khả năng tạo ra sáu mức điện áp pha - nguồn DC nên mạch
nghịch lưu trên gọi là bộ nghịch lưu 6 bậc.
- Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và
giảm shock điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu ba bậc, dv/dt trên linh
kiện và tần số đóng cắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp
trên các diode sẽ khác nhau. Ngoài ra, cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên
tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn
Hình 1.8 Mạch nghịch lưu NPC
• Caùc ñaëc ñieåm cuûa bieán taàn ña baäc daïng diode_clamped:
- Soá tuï ñieän laø ít, nhöng phaûi theâm diode keïp trong sô ñoà.
19
- Coù theå söû duïng moät nguoàn aùp DC.
- Khi bieán taàn coù baäc lôùn hôn 3 thì ñieän aùp maø diode keïp phaûi chòu ñöïng
laø Vdc(n-2)/(n-1) cao. Do ñoù seõ phöùc taïp trong thieát keá nhö phaûi keát noái
noái tieáp caùc diode.
- Vaán ñeà khoâng caân baèng ñieän aùp caùc tuï ñieän ôû bieán taàn ña baäc daïng naøy
coù theå gaây ra quaù aùp treân moät hay nhieàu linh kieän ñoùng caét.
Cấ trúc dù tụ điệ t y đ i (F yi C p citor M ti e e I erter)
Hình 1.9 Nghịch lưu đa bậc dạng dùng tụ điện thay đổi
Các đặc điểm của nghịch lưu đa bậc dạng dùng tụ điện thay đổi :
- Nhược điểm chính của nghịch lưu đa bậc dạng này là số lượng tụ điện trong sơ đồ
mạch quá nhiều
- Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không giống như
dạng nghịch lưu NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ngõ ra
20
- Giá trị điện dung của tụ là cao dần từ tụ lớp trong cùng đến lớp ngoài cùng
Ư điểm c í củ ịc ư dạ ày à:
- Khi số bậc tăng cao thì không cần dùng bộ lọc.
- Có thể điều tiết công suất tác dụng và phản kháng nên hiện được việc điều tiết
công suất.
- Mỗi nhánh có thể được phân tích độc lập với các nhánh khác. Không như nghịch
lưu đa bậc dạng NPC khi phân tích phải quan tâm đến cân bằng điện áp ba pha ở
ngõ vào.
N ược điểm:
- Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều, dẫn đến giá thành tăng và
độ tin cậy giảm.
- Việc điều khiển sẽ khó khăn khi số bậc của nghịch lưu tăng cao
Hình 1.10 Dạng Cascade Inverter.
Cấ trúc dạ ép tầ (C sc de I erter)
21
Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp trong trường hợp sử dụng nguồn DC
có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, battery. Cascade inverter gồm nhiều bộ nghịch lưu
áp cầu một pha ghép nối tiếp, các bộ nghịch lưu áp dạng cầu một pha này có các
nguồn DC riêng.Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một
pha, ba mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ
nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều
âm (-U, -2U, -3U,-4U,... –nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U,
3U, 4U,…nU) và mức điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ
nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.
Tần số đóng ngắt trong mỗi module của dạng mạch này có thể giảm đi n lần
và dv/dt cũng giảm đi như vậy. Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n
lần, cho phép sử dụng IGBT điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa
bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp ba pha. Cấu trúc này cho
phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử dụng các cấu hình
nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các
nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch
Hình 1.11 Dạng Cascade Inverter dùng biến áp
đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra.
22
Các đặc điểm củ ịc ư đ bậc dạ c sc de
- Dạng mạch cascade không dùng thêm diode hay tụ điện như các dạng mạch
trước, tuy nhiên số bậc điện áp ra cũng tương tự
- Số bậc điện áp ra có thể tăng lên dễ dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu nghịch
lưu vào
- Nghịch lưu dạng cascade dùng nhiều nguồn DC độc lập trên mỗi nhánh, trong khi
dạng NPC thì cần một nguồn duy nhất
- Để cân bằng công suất cho các nguồn DC thì có thể tuần hoàn sử dụng các nguồn
DC trong chu kỳ. Việc làm này làm cho tần số đóng cắt các linh kiện bán dẫn trong
sơ đồ cũng cân bằng
So sá số i kiệ sử dụ tro 3 dạ ịc ư áp đ bậc trê
- Bảng so sánh số linh kiện được sử dụng trong mỗi pha của 3 dạng nghịch
lưu kể trên. Ta thấy, số công tắc IGBT và số diode mắc sử dụng trong mỗi dạng
nghịch lưu cùng bậc là như nhau. Diode kẹp thì không cần trong dạng tụ thay đổi và
dạng cascade inverter, trong khi đó tụ cân bằng thì không cần cho dạng diode kẹp
và cascade inverter. Tóm lại, dạng cascade inverter là sử dụng ít linh kiện nhất.
Bảng so sánh số linh kiện trong 1 pha của 3 dạng nghịch lưu.
Cấu hình nghịch Diode kẹp NPC Tụ thay đổi Cascade inverter
lưu
2(n-1) 2(n-1) 2(n-1) Công tắc IGBT
2(n-1) 2(n-1) 2(n-1) Diode đối song
Diode kẹp (n-1)(n-2) 0 0
(n-2) (n-1) 2(n-1) Tụ trên nguồn DC
0 (n-1)(n-2)2 0 Tụ cân bằng
N ậ xét :
- Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng
lên, điện áp đặt lên các linh kiện bị giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng
ngắt các linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng ngắt, các thành phần sóng
hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu áp 2 bậc.
Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho các tải có thể đạt giá trị tương đối
lớn.
23
3.2 P â tíc bộ ịc ư áp đ bậc
Dạng diode kẹp (5 bậc )
Hình 1.12 Nghịch lưu 5 bậc NPC 3 pha
Dạng mạch nghịch lưu dùng diode kẹp sử dụng thích hợp đối với nguồn có hệ
thống nguồn xoay chiều. Nguồn DC được tạo ra bằng cách chỉnh lưu cầu và sau đó
được phân chia thành các điện áp nhỏ hơn nhờ vào các tụ lọc mắc nối tiếp với nhau,
nếu nguồn DC gồm có n nguồn có độ lớn bằng nhau thì nguồn này có n+1 giá trị
khác nhau, từ đó nghich lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp n+1 bậc
Ví dụ, nguồn DC được chia bởi 4 tụ thì ta được 0, 1U, 2U, 3U, 4U. Điện áp từ 1
pha tải thông đến 1 vị trí bất kỳ nhờ cặp diode kẹp tại điểm đó. Để điện áp pha -
nguồn DC đạt được mức điện áp nêu trên thì tất cả các linh kiện bị kẹp giữa 2 diode
, gồm n linh kiện mắc nối tiếp liên tục kề nhau và phải được kích đóng, các linh
kiện còn lại phải được khóa theo nguyên tắc kích đối nghich. Như hình vẽ trên ta có
bộ nghich lưu 5 bậc. Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến đươc dạng
sóng điện áp tải và giảm shock điện áp trên linh kiện n lần, với bộ nghịch lưu áp đa
24
bậc thì dv/dt trên linh kiện và tần số đóng ngắt giảm đi một nửa. Tuy nhiên, với bộ
nghich lưu dùng diode kẹp thì cân bằng điện áp nguồn trên các tụ trở nên khó nhăn.
giả sử ta có tải 3 pha đối xứng, ta có :
uta+utb+utc = 0 (1.1)
Gọi O là nút phân áp DC thành 2 nữa nguồn bằng nhau (mass giả), gọi N là
điểm nút của tải 3 pha đấu dạng sao, điện áp pha tải uta, utb,utc ta có :
uta = ua0 - uNO
utb = ub0 - uNO (1.2)
utc = uc0 - uNO
Điện áp ua0 ,ub0, uc0 gọi là điện áp pha tâm nguồn các pha a,b,c,
Từ (1) và (2) ta có
=> 0 = ua0 + ub0 +uc0 -3uNO
=> uNO = (ua0 + ub0 +uc0 )/3 (1.3)
Thay uNO vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có
uta = (2ua0 – ub0 –uc0 )/3
utb = (-ua0 + 2ub0 –uc0 )/3 (1.4)
utc = (-ua0 – ub0 +2uc0 )/3
Điện áp dây trên tải
utab=ua0 – ub0;
utbc = ub0-uc0; (1.5)
utca =uc0-ua0
Từ đó ta thấy quá trình điện áp và quá trình dòng điện ngõ ra của bộ nghịch
lưu áp 3 pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian ua0,
ub0,uc0. Qui tắc kích đóng đối nghịch : cặp công tắc chung nút tải được kích đóng
theo nguyên tắc đối nghịch, nếu như hai công tắc trong cặp luôn trong trạng thái
một được kích đóng và một được kích ngắt. Trạng thái cả hai cùng kích đóng (trạng
thái ngắn mạch nguồn ) hoặc cùng kích ngắt không được phép
P â tíc điệ áp bộ ịc ư áp đ bậc
Xét bộ nghịch lưu áp n bậc dạng diode kẹp NPC. Gọi U là độ lớn điện áp
trên các tụ riêng lẻ. Phụ thuộc độ lớn điện áp pha - nguồn DC cần thiết lập, các linh
kiện bị kẹp giữa các cặp diode đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở
25
trạng thái kích. Điện áp pha - tâm nguồn DC tính từ điểm đấu dây của pha tải đến
một điện thế trên mạch DC
Trạng thái đóng ngắt các khóa bán dẫn trên mộ nhánh tải của cácpha a, b, c
phải thỏa mãn điều kiện kích đối nghịch:
S aj + S' aj = 1;
Sbj + S' bj = 1;
S cj + S' cj = 1;
Với j = 1, 2, 3, …( n- 1 ).
Khi kích đóng ngắt các linh kiện theo đúng nguyên tắc trên ta có được giản
đồ xung kích cho các khóa. Tính toán tương tự bộ nghịch lưu áp ba pha hai bậc ta
có các điện áp pha tải
u ta = (2uao − ubo − uco) /3
utb = (2ubo - uao - uco)/3
utc = (2uco - ubo - uao)/3
Và uno = ( uao + ubo + uco) /3
Trạng thái đóng ngắt bộ nghich lưu áp năm bậc
Hình 1.13 Nghịch lưu 5 bậc NPC 1 pha
26
Xét bộ nghịch lưu áp năm bậc dạng chứa các cặp diode kẹp như hình vẽ. Gọi U là
độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ. Chọn điểm tâm nguồn DC tại vị trí giữa.
Ta có bảng trạng thái đóng ngắt như sau:
Vout =Vxo Sx4 Sx3 Sx2 Sx1 Sx4´ Sx3´ Sx2´ Sx1´
2U 1 1 1 1 0 0 0 0
U 0 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 0 0
-U 0 0 0 1 1 1 1 0
-2U 0 0 0 0 1 1 1 1
Với x = a,b,c
Ta thấy có năm mức điện áp ngõ ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt. Vậy có tổng cộng có 5 trạng thái đóng ngắt các linh kiện cho 1 pha nên có 53 = 125
trạng thái cho 3 pha.
27
CHƯƠNG II. KỸ HUẬ ĐIỀU CHẾ
1.P ươ p áp đi c ế só m
1.1 P ươ p áp đi c ế độ rộ x si .
N yê tắc t ực iệ
Để tạo giản đồ kích đóng các linh kiện trong cùng một pha tải, ta sử dụng
một sóng mang (dạng tam giác) và một tín hiệu điều khiển (dạng sin).Về nguyên lý,
phương pháp được thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng các công
tắc của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
• Sóng mang up (carrier signal) tần số cao, có thể ở dạng tam giác.
• Sóng điều khiển ur (reference signal) hoặc sóng điều chế (modulating
signal) dạng sin.
- Ví dụ, công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang
(ur > up). Trong trường hợp ngược lại, công tắc chẵn được kích đóng.Tần số sóng
mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp và dòng điện
tải bị khử càng nhiều.
- Đối với bộ nghịch lưu áp n bậc, số sóng mang được sử dụng là (n-1).
Chúng có cùng tần số fc và cùng biên độ đỉnh - đỉnh Ac. Sóng điều chế (hay sóng
điều khiển) có biên độ đỉnh bằng Am và tần số fm, dạng sóng của nó thay đổi xung
quanh trục tâm của hệ thống (n-1) sóng mang. Nếu sóng điều khiển lớn hơn sóng
mang nào đó thì linh kiện tương ứng với sóng mang đó sẽ được kích đóng, ngược
lại nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì linh kiện đó sẽ bị khoá kích.
- Gọi mf là tỉ số điều chế tần số ( frequency modulation ratio):
mf =f carrier/f reference =fc/f r
- Việc tăng giá trị mf sẽ dẫn đến việc tăng giá trị tần số các sóng hài xuất
hiện. Điểm bất lợi của việc tăng tần số sóng mang là vấn đề tổn hao do số lần đóng
cắt lớn. Tương tự, gọi ma là tỉ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio):
ma = Um-reference/Um-carrier = Am/(n-1)Ac
- Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn tổng biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa
thành phần cơ bản của điện áp ra và điện áp điều khiển là tuyến tính.
28
Hình 2.1 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển.
- Khi giá trị ma > 1, biên độ tín hiệu điều chế lớn hơn tổng biên độ sóng mang thì
biên độ hài cơ bản của điện áp ra tăng không tuyến tính theo ma. Lúc này, bắt đầu
xuất hiện lượng sóng hài bậc cao tăng dần cho đến khi đạt ở mức giới hạn cho bởi
phương pháp 6 bước. Trường hợp này còn được gọi là quá điều chế
(overmodulation) hoặc điều chế mở rộng. Phương pháp Sin PWM đạt được chỉ số
điều chế lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ sóng điều chế bằng tổng biên độ
sóng mang :
= = = 0.785 m SPWM MAX =
1.2. P ươ p áp đi c ế độ rộ x cải biế
Phương pháp còn có tên là Modified PWM hoặc Switching Frequency Optimal
PWM method – SFO PWM.
Kỹ thuật điều khiển tương tự như phương pháp điều chế độ rộng xung vừa
trình bày, điểm khác biệt là sóng điều chế được cải biến. Theo đó, mỗi sóng điều
chế được cộng thêm tín hiệu thứ tự không (sóng hài bội ba). Tồn tại nhiều khả năng
tạo nên thành phần thứ tự không, một trong các tín hiệu thứ tự không có thể chọn
bằng trị trung bình của giá trị tín hiệu lớn nhất trong 3 tín hiệu điều chế với tín hiệu
nhỏ nhất trong 3 tín hiệu điều chế - phương pháp SFO PWM.
29
Gọi Va, Vb,Vc là các tín hiệu điều khiển của phương pháp điều chế PWM. Tín
hiệu điều khiển theo phương pháp SFO – PWM có thể biểu diễn dưới dạng toán học
như sau:
V offset =
VaSFO = Va - Voffset ;VbSFO = Vb -Voffset ; VcSFO =Vc-Voffset
Phương pháp này cho phép thực hiện điều khiển tuyến tính điện áp tải với chỉ số
điều chế nằm trong phạm vi 0 ≤ m ≤ 0.907, biên độ sóng hài điện áp đạt giá trị cực
đại bằng U/ và tương ứng chỉ số điều chế lúc đó là:
Hình 2.2 Quan hệ giữa biên độ sóng mang và sóng điều khiển
2. Đi c ế ectơ k ô i PWM
2.1 K ái iệm ectơ k ô i
- Phương pháp điều chế vector không gian (Space vector modulation – hoặc Space
vector PWM) xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện
xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha. Phương
pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải
thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến
nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại
30
lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển
các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải
điện.
- Vector k ô i à p ép biế ì ector k ô gian
Cho đại lượng ba pha cân bằng va, vb, vc, tức thỏa mãn hệ thức:
va + vb + vc = 0
Phép biến hình từ các đại lượng 3 pha va, vb, vc sang đại lượng vector →v theo hệ
thức:
v = k.(va + a .vb + 2 a .vc)
v = k.(va + a .vb + 2 a .vc)
trong đó: a = e j2π / 3 = -21 + j23 được gọi là phép biến hình vector không gian và
đại lượng vector v được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha. Hằng số k
có thể chọn với các giá trị khác nhau. Với k = 2/3 phép biến hình không bảo toàn
công suất và với k = 2 / 3 phép biến hình bảo toàn công suất.
Ví dụ, ta có đại lượng ba pha dạng cos như sau :
0 )
Va =Vm.cos(x-
0 -
) Vb =Vm.cos(x-
0 -
Va =Vm.cos(x-
Vector không gian theo định nghĩa sẽ là:
0) +a
0-
0 -
- [Vm.cos (x- .Vm .cos(x- )+a-2.Vm.cos(x- )] - v =
0)
0)+j.sin(x-
0)] = Vm.e j(x-
=Vm[( cos (x- - v
- Như vậy trong hệ tọa độ vuông góc α _β , vector không gian v có biên độ Vm bắt đầu từ vị trí Vm.e jθ sẽ quay chung quanh trục toa độ với tần số góc ω .
2.2 Vector k ô i củ bộ ịc ư áp đ bậc
Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp ba pha tải. Theo lý thuyết về
không gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn dưới dạng vector không
gian. Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc. Vị trí của mỗi vector
điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt của linh kiện.
31
Ta xét bộ nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade như sau:
Hình 2.3 Nghịch lưu áp 5 bậc dạng cascade
Với bộ nghịch lưu áp 5 bậc, khả năng kích dẫn linh kiện tạo nên 125 trạng thái
khác nhau, mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp (ka kb kc) với:
ka = -2, -1, 0, 1, 2
kb = -2, -1, 0, 1, 2
kc = -2, -1, 0, 1, 2
Các hệ số ka, kb, kc phụ thuộc vào cách ta quy ước trước, các quy ước này dựa vào
bảng trạng thái đóng ngắt. Chẳng hạn, ta quy ước như sau:
ka = -2 khi s3a = s4a= s'3a = s'4a = 1
ka = -1 khi
o s1a = s3a = s'3a = s'4a = 1
o s2a = s4a = s'3a = s'4a = 1
o s3a = s4a = s'1a = s'3a = 1
o s3a = s4a = s'2a = s'4a = 1
ka = 0 khi
o s1a = s2a = s'3a = s'4a = 1
o s3a = s4a = s'1a = s'2a = 1
o s1a = s3a = s'3a = s'4a = 1
o s1a = s3a = s'2a = s'4a = 1
o s2a = s4a = s'1a = s'3a = 1
32
o s2a = s4a = s'2a = s'4a = 1
k = 1 khi
o s1a = s2a = s'1a = s'3a = 1
o s1a = s2a = s'2a = s'4a = 1
o s1a = s3a = s'1a = s'2a = 1
o s2a = s4a = s'1a = s'2a = 1
k = 2 khi s1a = s2a = s'1a = s'2a
tương tự cho kb, kc.
Trong quá trình đóng ngắt, quy luật đóng ngắt đối nghịch phải được tuân thủ:
S1x + S4x = 1; S2x + S3x = 1
S’1x + S’4x = 1; S’2x + S’3x = 1
Với x = a, b, c.
Theo định nghĩa vector không gian, tương ứng 125 trạng thái kích dẫn linh
kiện ta thu được 61 vị trí vector không gian của vector điện áp tạo thành. Tại tâm
của lục giác có năm trạng thái khác nhau cho cùng vị trí tại đó là vector không. Các
vị trí còn lại ứng với các trạng thái được biểu diễn trong giản đồ vector sau:
Hình 2.4 Vector không gian của điều chế đa bậc
33
P ươ p áp đi c ế ector k ô i
Phương pháp điều khiển sáu bước (six step) tạo nên sự dịch chuyển nhảy cấp
tuần hoàn của vector không gian giữa sáu vị trí đỉnh của hình lục giác. Điều này làm
quá trình điện áp pha tải nghịch lưu hình thành chứa nhiều thành phần sóng hài bậc
cao. Hệ quả là quỹ đạo vector không gian bị biến đổi về pha và biên độ so với
trường hợp áp ba pha tải dạng sin. Mặt khác, phương pháp điều chế độ rộng xung
dạng sin dù tạo ra điện áp pha tải gần dạng sin nhưng chỉ có thể đảm bảo phạm vi
điều khiển tuyến tính thành phần điện áp cơ bản của pha tải đến biên độ Ud /2.
Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục các nhược điểm của hai phương
pháp nêu trên.
Ý tưởng của phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển
liên tục của vector không gian tương đương trên quĩ đạo đường tròn của vector điện
áp bộ nghịch lưu, tương tự như trường hợp vector không gian của đại lượng sin ba
pha tạo được. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quĩ đạo tròn,
các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp
ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong
thời gian một chu kì lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
Nguyên lý điều chế vector không gian đối với bộ nghịch lưu áp đa bậc được
thực hiện tương tự như ở nghịch lưu hai bậc. Để tạo vector trung bình tương ứng
vector v cho trước cần xem xét vector v nằm vị trí nào của hình lục giác. Để thuận
tiện, thông thường diện tích hình lục giác được chia nhỏ thành các hình tam giác
con. Ví dụ, góc phần sáu thứ nhất của hình lục giác giới hạn bởi ba vector 0 v , 2 v
và 5 v được chia nhỏ thành các diện tích (1), (2), (3), và (4) như hình vẽ:
34
Hình 2.5 Nguyên lý điều chế vector không gian
Vector v đang khảo sát cần điều khiển để đạt được có vị trí nằm trên phần
diện tích (2). Bước tiếp theo, ta xác định các vector không gian cần thiết – gọi là các
vector cơ bản, cần sử dụng để tạo nên vector trung bình nằm trong diện tích (2). Ta
nhận thấy đó chính là các vector 1 v , 2 v và 3 v . Như vậy, vector tương đương với
vector v có thể thực hiện bằng cách điều khiển duy trì tác dụng theo trình tự vector 1
v trong thời gian T1, vector 2 v trong thời gian T2 và vector 3 v trong thời gian T3
theo hệ thức:
V .Ts = 1 v .T1 + 2 v .T2 + 3 v .T3 (4.7)
trong đó Ts = T1 + T2 + T3 là chu kỳ lấy mẫu.
Vấn đề còn lại là xác định thời gian tác dụng T1, T2 và T3 của các vector cơ
bản. Nếu ta biết được vector v dưới dạng các thành phần vuông góc Vα , Vβ trong
hệ tọa độ đứng yên α − β (stationary frame), quan hệ giữa các thành phần vector Vα
, V β với thời gian duy trì trạng thái vector 1 v , 2 v và 3 v có thể biểu diễn dưới
dạng ma trận sau:
=1/t
35
Với V 1α , V 2α , V 3α ,V 1β , V 2β , V 3β là các thành phần theo trục tọa độ α và
của các vector trên hình lục giác 1 v , 2 v và 3 v .
Từ đó, thời gian được xác định (áp dụng ma trận ngược):
Hay ở dạng thời gian tương đối: d j = T j / Ts ; j = 1, 2, 3
Áp dụng cụ thể vào bốn diện tích hình tam giác trong góc phần sáu thứ nhất của
hình lục giác, chú ý đến vector cơ bản trong mỗi diện tích trên, ta thu được kết quả:
Trong diện tích (1), vector vơ bản 0 v , 1 v và 4 v :
d1 = d v0 = 1 - d 2 - d 3 = 1- m a .(sinθ + 3 .cosθ )
d 2 = d v1 = m a .(-sinθ + 3 .cosθ ) (4.11)
d 3 = d v4 = 2.m.sinθ
Trong diện tích (2), vector cơ bản 1 v , 2 v và 3 v :
d1 = d v1 = 2 - m a .(sinθ + 3 .cosθ )
d 2 = d v2 = -1 + m a .(-sinθ + 3 .cosθ ) (4.12)
d 3 = d v3 = 2.ma.sinθ
Trong diện tích tam giác (3), vector cơ bản 1 v , 3 v và 4 v :
d1 = d v1 = 1- 2.ma.sinθ
d 2 = d v3 = -1 + ma. (sinθ + 3 .cosθ ) (4.13)
d 3 = d v4 = 1 + ma.(sinθ - 3 .cosθ )
Trong diện tích tam giác (4), vector cơ bản 5 v , 3 v và 4 v :
d1 = d v4 = 2 – ma.(sinθ + 3 .cosθ )
d 2 = d v5 = -1 + 2.ma.sinθ (4.14)
d 3 = d v3 = ma.(-sinθ + 3 .cosθ )
36
Nếu vectơ nằm V ở góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất của hình
lục giác tính từ vị trí trục thực α , ta có thể qui đổi nó về góc phần sáu thứ nhất để
xác định thời gian tác động của các vector cơ bản theo hệ thức:
N ậ xét
Phương pháp điều chế vector không gian cho phép điều khiển tuyến tính tốt,
hiệu quả cao, rất cần thiết cho các hệ tự động điều khiển. Nó đã mở ra một lý thuyết
thực hành điều khiển mới có chất lượng cao cho việc chuyển đổi năng lượng điện từ
các nguồn DC sang AC. Tuy nhiên, phương pháp điều chế vector không gian vẫn
còn tồn tại một số nhược điểm như: đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng tính toán cao và
bộ nhớ lớn, việc tính toán càng phức tạp khi số bậc của bộ nghịch lưu tăng lên, lập
trình giải thuật khá phức tạp…
37
CHƯƠNG III.KẾ QUẢ MÔ PHỎNG
1.Giới t iệ M t b
Lịc sử:
- Matlab là viết tắt từ “MATrix LABoratory“,được Cleve Moler phát minh vào
cuối thập niên 1970, và sau đó là chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại học New
Mexico, nguyên sơ được viết bởi ngôn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó vẫn chỉ là
một bộ phận được dùng nội bộ của Đại học Stanford. Năm 1983, Jack Little, một
người đã học ở MIT và Stanford, đã viết lại MATLAB bằng ngôn ngữ C và nó được
xây dựng thêm các thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp
công cụ (tool box), mô phỏng… Jack xây dựng MATLAB trở thành mô hình ngôn
ngữ lập trình trên cơ sở ma trận (matrix-based programming language).
- Steve Bangert là người đã viết trình thông dịch cho MATLAB. Công việc này kéo
dài gần 1½ năm. Sau này, Jack Little kết hợp với Moler và Steve Bangert quyết
định đưa MATLAB thành dự án thương mại – công ty The MathWorks ra đời thời
gian này – năm 1984
- MATLAB vừa là một ngôn ngữ lập trình vừa là một phần mềm ứng dụng
tính toán rất hiệu quả. MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được
thiết kế bởi công ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ
đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người
dùng và liên kết với những chương trình máy tínhviết trên nhiều ngôn ngữ lập trình
khác.Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm
nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật. MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải
quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như
C, C++, và Fortran.
- MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh,
truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài
chính, hay tính toán sinh học. Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong
môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ
của tính toán khoa học.
38
- N ô ữ ập trì MA LAB
-Ngôn ngữ lập trình dùng trong hệ tính toán số cũng có tên gọi là MatLab.
Nó thuộc kiểu lập trình thủ tục (với một số đặc điểm của lập trình hướng đối tượng
mới được bổ sung trong các phiên bản gần đây.
-Khả năng và những ứng dụng của Matlab:
Thư viện dựng sẵn to lớn rất phong phú nhiều lĩnh vực
Giải quyết các vấn đề một cách số học
Matlab ứng dụng những thuật toán đã kiểm chứng nên kết quả đáng tin
cậy.
Lệnh và hàm sử dụng rất đơn giản.
Có thể xây dựng những hàm riêng cho những ứng dụng đặc biệt.
Cung cấp thư viện hàm đồ họa rất mạnh.
Cung cấp gói ứng dụng Simulink đầy đủ để mô phỏng.
2.Mô ì ó mạc
Tín hiệu điều khiển sin 3 pha có tỉ số điều chế là 0.9, tần số sóng là 50 Hz,
sóng mang dạng tam giác và có tần số là 3000Hz, nguồn DC 300V, tải là R =
10 , L = 0,15H
Hình 3.1 Mạch mô phỏng bộ nghịch lưu 5 bậc NPC
39
3. Kết ả mô p ỏ
Hình 3.2 Dạng sóng xung kích IGBT pha A
Hình 3.3 Dạng sóng xung kích IGBT pha B
40
Hình 3.4 Dạng sóng xung kích IGBT pha C
Hình 3.5 Dạng sóng điều khiển sin và sóng mang tam giác
41
Hình 3.6 Điện áp 3 pha - tâm nguồn DC
Hình 3.7 Điện áp pha tải 3 pha
42
Hình 3.8 Điện áp pha tải sau khi qua bộ lọc thông thấp
Hình 3.9 Dòng điện tải 3 pha
Đá iá kết ả mô p ỏ
- Trong quá trình mô phỏng nghịch lưu đa bậc, nghịch lưu có số bậc càng cao thì
đáp ứng điện áp tải, dòng điện càng ít méo dạng và dạng sóng gần sin hơn.
- Tần số sóng mang càng cao thì méo dạng càng giảm và ngược lại, tuy nhiên tần số
sóng mang càng cao thì tổn thất công suất trên các van tăng lên.
- Sóng hài bậc cao vẫn còn tồn tại, tần số sóng mang lớn thì sóng hài này giảm
- Điện áp pha và tâm nguồn DC của từng pha còn khác nhau
- Phần đầu của mô phỏng dòng tải 3 pha méo dạng lớn là do trong quá trinh quá độ
nên chưa xác lập.
đều nhau.
- Trong 1 chu kì khoảng đóng và ngắt của mỗi bộ nghịch lưu cầu 1 pha là tương đối
Qua kết quả mô phỏng ta thấy phù hợp với yêu cầu đặt ra của mạch nghịch
lưu năm bậc dạng NPC
43
CHƯƠNG IV. KẾ QUẢ HỰC NGHIỆM
1. Giới t iệ c rd S M32F4
STM32 là chip của ST, dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M
là thế hệ mới, thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho các
Hình 4.1 Biểu đồ sự phát triển dòng ARM
thiết bị cần tiêu thụ năng lượng thấp, và đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắc khe.
Ứ dụ S M32:
Hình 4.2 Ứng dụng của STM
Ứng dụng rộng : từ điện tử dân dụng (tivi, đầu máy, máy giặt...), xe hơi đời mới,
game, mobile, laptop ... chỗ nào ARM cũng có mặt.
í ă i bật:
-Tiêu thụ năng lượng cực thấp:
44
-Hiệu suất cực cao:
- Coding cực dễ:
-Với sự đồ sộ về ngoại vi (GPIO, I2C, SPI, ADC, USB, Ethernet, CAN....),
ST cung cấp cho chúng ta các thư viện trực tiếp cho mỗi dòng ARM (gọi là CMSIS
- Cortex Microcontroller Software Interface Standard), nhiệm vụ của chúng ta
không thể dễ dàng hơn: khai báo và sử dụng mà thôi ...
Giá tiền cực rẻ:
STM32F100x giá khoảng 29 usd mà STM32F100x chạy tốc độ 24Mhz
Cấu trúc của STM32F4
Hình 4.3 Cấu trúc của STM32F4
45
Hình 4.4 Kit STM32F4
46
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí của STM32F4
Thông số của kit STM32F4
- STM 32F4 giúp chúng ta khám phá về cấu trúc và phát triển các ứng dụng. Nó
được phát triển dựa trên STM32F407VGT6 và cả ST LINK/V2 được thêm vào
công cụ khắc phục lỗi giao tiếp. STM MEMS đo tốc độ số, micro số, mạch DAC
âm thanh, nút nhấn, LEDs và cổng micro USB
- STM32F4 có giá thành thấp, dễ vận chuyển và dễ dàng phát triển các ứng dụng từ
kit vi điều khiển này.
Cấu trúc hệ thống :
Window pc (xp, vista, 7 )
USB loai A và micro USB
47
ô số kỹ t ật củ S M32F4
Datasheets STM32F405/407xx
STM32F4 Series Brochure
Category Integrated Circuits (ICs)
Family Embedded - Microcontrollers
Series STM32 F4
Packaging Tray
Core Processor ARM® Cortex®-M4
Core Size 32-Bit
Speed 168MHz
Connectivity CAN, DCMI, EBI/EMI, Ethernet, I²C, IrDA, LIN, SPI,
UART/USART, USB OTG
Peripherals Brown-out Detect/Reset, DMA, I²S, LCD, POR, PWM,
WDT
Number of I/O 82
Program Memory 1MB (1M x 8) Size
Program Memory FLASH Type
EEPROM Size -
RAM Size 192K x 8
Voltage - Supply 1.8 V ~ 3.6 V (Vcc/Vdd)
Data Converters A/D 16x12b, D/A 2x12b
Oscillator Type Internal
Operating -40°C ~ 85°C
48
Temperature
Package / Case 100-LQFP
Supplier Device 100-LQFP (14x14) Package
Kit được thiết kế với 1MB bộ nhớ flash, 192 KB bộ nhớ RAM và được
đóng vỏ theo lqfp100. Trên bo, ST LINK/V2 có công tắc chọn kit làm việc
độc lập. Nguồn cung cấp cho bo được cung cấp qua cổng USB hoặc nguồn
5V bên ngoài
Hai phím ấn ( dành cho người sử dụng và reset )
Dynamic Catalog STM32 F4 Series
49
2. Sơ đồ mạc độ ực
Hình 4.6 Sơ đồ mạch động lực
50
Sơ đồ mạch in :
Hình 4.7 Sơ đồ mạch in mạch động lực
Một số hình ảnh phần cứng của mạch nghịch lưu 5 bậc NPC
Hình 4.8 Mạch Kit STM32F4
51
Hình 4.9 Mạch đệm xung kích
Hình 4.10 Mạch nguồn cấp mạch động lực
52
Hình 4.11 Mạch công suất 1 pha
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu
53
Hình 4.13 Sơ đồ kết nối của mạch nghịch lưu kết nối với tải
3.Kết ả t ực iệm:
Hiện tại, mạch thực nghiệm đã hoàn thiện phần cứng, kết nối được kit STM
với máy tính, mạch hoạt động đạt so với yêu cầu của luận, tuy nhiên trong quá trình
thi công mạch thì gặp nhiều trở ngại như xung kích bị nhiễu, chưa khảo sát hết được
các dạng tải khác nhau để đánh giá được chất lượng sau cùng.
Hình 4.14 Dạng sóng tâm DC với tải
54
CHƯƠNG V. ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁ RIỂN ĐỀ ÀI
- Mạch thực nghiệm hoạt động như yêu cầu đặt ra, từ đó giúp tác giả hiểu rõ
hơn về mach nghịch lưu đa bậc, đặc biệt trong việc lắp mạch thực nghiệm năm bậc.
Qua đó cũng thấy được các giải thuật điều chế và nguyên lý của mạch nghịch lưu đa
bậc, từ đó giúp tác giả có thêm nhiều kiến thức trong lĩnh vực điện tử công suất và
đặc biệt là ứng dụng của điện tử công suất trong lĩnh vực nghịch lưu.
- Về hoạt động của mạch thực nghiệm thì mạch hoạt động tốt, dạng sóng
ngõ ra của mạch nghịch lưu đạt theo yêu cầu. Trong thời gian còn lại và trong thời
gian tới, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện mạch để mạch hoạt động tốt
nhất
Hướ p át triể đ tài
- Nghiên cứu các mạch nghịch lưu có số bậc cao hơn để dạng sóng ngõ ra sin
hơn
- Nghiên cứu các biện pháp triệt áp common, triệt nhiễu dạng sóng ngõ ra
- Nghiên cứu giảm công suất tổn hao trên các van
55
ÀI LIỆU HAM KHẢO
1 TS. Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện Tử Công Suất ’’, Nhà xuất bản Đại học quốc gia
Tp.Hồ Chí Minh – 2003
2. Trần văn Trọng Giáo trình điện tử công nghiệp
3.Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, “Mô phỏng Điện tử công suất trong Matlad-
Simulink’’, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh – 2011.
4. Điện tử công suất & điều khiển động cơ điện Cyril W. Lander
5. Naumanen, V.; Luukko, J.; Itkonen, T.; Pyrhönen, O. & Pyrhönen, J. (2009),
"Modulation technique for series-connected H-bridge multilevel converters with
equal load sharing", IET Power Electronics, vol. 2, pp. 275–286.
6. Naumanen, V.; Luukko, J.; Silventoinen, P.; Pyrhönen, J.; Sarén, H. & Rauma,
K. (2009),
"Compensation of Unequal Voltages in the DC links of a Multilevel Series-
Connected HBridge Inverter", In proceedings of the 35th Annual Conference of the
IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2009.
7. Naumanen, V.; Luukko, J.; Silventoinen, P.; Pyrhönen, J.; Sarén, H. & Rauma,
K. (2010),"Compensation of DC Link Voltage Variation of a Multilevel Series-
Connected H-Bridge Inverter", IET Power Electronics, Accepted for publication
8. Naumanen, V.; Luukko, J.; Pyrhönen, J. & Silventoinen, P. (2009), "Analysis of
dynamic
