Mục tiêu của đề tài Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với giảm nguồn và phần tử LC là tạo ra bộ nghịch lưu ba pha ba bậc tăng áp có ngõ ra điện áp được cải thiện hơn về độ gợn sóng và tần số ổn định hơn.
Trang 1KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -
GVHD: ThS Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039
SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266
Trang 2KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
GVHD: ThS Đỗ Đức Trí SVTH: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039
SVTH: Lê Minh Quý MSSV: 13141266
Tp Hồ Chí Minh - 7/2018
Trang 3BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Duy MSSV: 13141039
Lê Minh Quý MSSV: 13141266 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
I TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI
II NHIỆM VỤ
1 Các số liệu ban đầu:
- Xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp
- Giảm nguồn đầu vào và số lượng các phần tử LC trong mạng trở kháng trung gian
- Bộ nghịch lưu có khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất kỳ
2 Nội dung thực hiện:
- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”
- Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển
- Viết chương trình điều khiển và xây dựng mô hình chạy thực tế
- Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đưa ra đánh giá
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/03/2018
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018
V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Đỗ Đức Trí
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Trang 4BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o
Tên đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU TĂNG ÁP BA BẬC
ĐIỀU KHIỂN CẦU DIODE KẸP VỚI KHẢ NĂNG CHỊU LỖI
Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD
1 Nhận đề tài và tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài
2 Cài đặt, làm quen, sử dụng các phần mềm liên quan đến việc thực hiện đồ án tốt nghiệp
3 Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu giải thuật điều chế Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Psim
4 Tiến hành vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, vẽ mạch in
5 Thi công mạch in
6 Hoàn thiện mạch in Nghiên cứu hoàn thiện giải thuật
7 Thiết kế mô hình hệ thống Hoàn thiện các module
8 Thực hiện thi công mô hình hệ thống Tối ưu kích thước hệ thống
9 Cho chạy mô hình, kiểm tra khi hệ thống chạy chưa ổn định, xuất hiện lỗi
10 Tiếp tục chạy mô hình, tìm và khắc phục lỗi khi hệ thống chạy sai
Trang 511 thống bị sự cố
Viết báo cáo
12 Chạy thực nghiệm
Viết báo cáo
13 Viết báo cáo
14 Viết báo cáo
15 Viết báo cáo
GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
Trang 6Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Đỗ Đức Trí
và có tính kế thừa từ những công trình trước đó của Phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao - D405 trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Đề tài được nghiên cứu và phát triển dựa trên các tài liệu, bài báo, tạp chí đã được công bố trên các phương tiện truyền thông Mọi tài liệu tham khảo đều được nhóm ghi nguồn đầy đủ trong phần phụ lục tài liệu tham khảo của đề tài
Nhóm thực hiện đề tài
Lê Minh Quý – Nguyễn Thái Duy
Trang 7Lời đầu tiên, chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ths Đỗ Đức Trí - người đã đã định hướng đề tài, tận tình giúp đỡ và sẵn sàng chia sẻ những kinh nghiệm quý báu của mình để chúng em kịp hoàn thành đề tài tốt nghiệp trong quãng thời gian ngắn ngủi này Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự hỗ trợ nhiệt tình của anh Vân, anh Trí, anh Bằng cùng các đồng nghiệp khác đã làm việc và nghiên cứu tại phòng D405 – Phòng thí nghiệm Điện Tử Công Suất nâng cao Đặc biệt không thể thiếu bạn Vĩnh Thanh - một người bạn thông minh, vui tính, không những hỗ trợ về mặt nền tảng kiến thức mà còn về mặt tinh thần giúp nhóm vượt qua những lúc khó khăn, mệt mỏi trong lúc làm việc Sự đồng hành của tất cả mọi người trong suốt thời gian qua
là điều vô cùng quý giá, chúng em rất trân trọng điều đó và chắc chắn sẽ là một kỷ niệm đáng nhớ cho quãng đời sinh viên của mình
Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù nhóm đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ thầy Trí nói riêng và các thầy cô giáo bộ môn khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung để nhóm thực hiện đề tài có thể hoàn thành bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này được tốt hơn Mọi ý kiến đóng góp của quý thầy cô là niềm động lực để nhóm tiếp tục cố gắng và phát huy hơn nữa trong tương lai Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Lê Minh Quý - Nguyễn Thái Duy
Trang 8MỤC LỤC
Trang bìa i
Nhiệm vụ đồ án ii
Lịch trình iii
Cam đoan iv
Lời cảm ơn v
Mục lục vi
Liệt kê hình vẽ ix
Liệt kê bảng vẽ xi
Tóm tắt xii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu 7
1.3 Nội dung nghiên cứu 8
1.4 Giới hạn 8
1.5 Bố cục 8
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 10
2.1.1 Giới thiệu tổng quát 10
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp 10
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc 11
2.2 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha hình T 11
2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T 11
2.2.2 Nguyên lý hoạt động 12
2.3 Giới thiệu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC 13
2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp 13
2.3.2 Nguyên lý hoạt động 15
2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 19
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 26
3.1 Giới thiệu 26
Trang 93.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 26
3.2.2 Chức năng của từng khối 26
3.3 Giới thiệu thành phần linh kiện trong các khối 27
3.3.1 Tổng quan về card xử lý tín hiệu số TMS320F28335 27
3.3.2 Giới thiệu FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 29
3.3.3 Mạch kích 32
3.3.4 Mạch nguồn DC đầu vào 33
3.3.5 Mạch công suất 34
3.3.6 Mạch cảm biến 35
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 39
4.1 Giới thiệu 39
4.2 Thi công hệ thống 39
4.2.1 Thi công board mạch 39
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 45
4.2.3 Hình ảnh các module đã thi công, lắp ráp 46
4.3 Hoàn thiện mô hình 48
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 48
4.3.2 Mô hình đã thi công 49
4.4 Lập trình hệ thống 50
4.5 Lập trình mô phỏng 52
4.5.1 Sơ đồ mô phỏng 52
4.5.2 Hình ảnh mô phỏng trên PSIM 53
4.6 Quy trình và hướng dẫn thao tác 56
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ _NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 58
5.1 Kết quả thực nghiệm 58
5.1.1 Dạng sóng xung kích cho các khóa IGBT 58
5.1.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu 59
5.2 Đánh giá nhận xét 62
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65
6.1 Kết luận 65
6.1.1 Phương pháp nghiên cứu 65
Trang 10TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
Trang 11Hình Trang
Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng bộ tăng áp một chiều 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu truyền thống sử dụng máy biến áp tần số 2
Hình 1.3: Bộ nghịch lưu Z-Source 3
Hình 1.4: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source với dòng ngõ vào liên tục 3
Hình 1.5: Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC 4
Hình 1.6: Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC 5
Hình 1.7: Cấu hình bộ nghịch lưu tăng áp mới dùng cầu diode kẹp 7
Hình 2.1: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T 11
Hình 2.2: Chế độ dòng thụ động nghịch lưu hình T 12
Hình 2.3: Chế độ dòng tích cực nghịch lưu hình T 12
Hình 2.4: Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp 14
Hình 2.5: Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC 15
Hình 2.6: Mạch điện tương đương 1 pha 15
Hình 2.7: Trạng thái +VDC ở trường hợp không ngắn mạch 16
Hình 2.8: Trạng thái -VDC ở trường hợp không ngắn mạch 17
Hình 2.9: Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp mức "không" 17
Hình 2.10: Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch 18
Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát 21
Hình 2.12: Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A 21
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha 26
Hình 3.2: Hình ảnh Kit DSP TMS320F28335 28
Hình 3.3: Sơ đồ tổng quan các các khối của TMS320F28335 29
Hình 3.4: Hình ảnh FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 31
Hình 3.5: Hình ảnh G1215S-1W 32
Hình 3.6: Sơ đồ và chức năng các chân của G1215S-1W 32
Hình 3.7: Hình ảnh opto TLP250 33
Hình 3.8: Sơ đồ khối tạo nguồn DC đầu vào 34
Hình 3.9: Hình ảnh IGBT FGL40N150D 34
Hình 3.10: Hình ảnh cảm biến điện áp LV-20P 35
Hình 3.11: Sơ đồ mạch điện bên trong cảm biến điện áp LV-20P 35
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 36
Trang 12Hình 3.15: Khối cộng điện áp 38
Hình 4.1: Sơ đồ khối module nguồn 39
Hình 4.2: Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha 40
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch kích 40
Hình 4.4: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) 41
Hình 4.5: Mạch PCB mạch kích (mạch in lớp dưới) 41
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp 42
Hình 4.7: Sơ đồ mạch in mạch cảm biến áp 42
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 43
Hình 4.9: Mạch tăng áp LC với IGBT 43
Hình 4.10: Mạch công suất hình T 44
Hình 4.11: Nhánh hình T 44
Hình 4.12: Module khối nguồn 46
Hình 4.13: Module mạch kích 47
Hình 4.14: Mô hình mạch công suất 47
Hình 4.15: Mô hình mạch tăng áp bằng LC 48
Hình 4.16: Mô hình mạch cảm biến áp 48
Hình 4.17: Mô hình hoàn chỉnh 49
Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật tổng quát 50
Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý pha A 51
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên PSIM 52
Hình 4.21: Khối tạo xung kích điển hình cho 1 pha 52
Hình 4.22: Sơ đồ khối tạo xung ngắn mạch trên PSIM 53
Hình 4.23: Xung kích cho khóa Sa1-Sa2-Sa3 53
Hình 4.24: Xung kích cho khóa Sb1-Sb2-Sb3 53
Hình 4.25: Xung kích cho khóa Sc1-Sc2-Sc3 54
Hình 4.26: Xung kích cho khóa Sa1-Sb1-Sc1 54
Hình 4.27: Dạng sóng điện áp pha 55
Hình 4.28: Dạng sóng điện áp dây 55
Hình 4.29: Dạng sóng điện áp cực 55
Hình 4.30: Dạng dòng điện ngõ ra 56
Hình 4.31: Quy trình và hướng dẫn thao tác 57
Trang 13mô phỏng 58
Hình 5.2: Dạng sóng xung kích cho SA1-SB1-SC1 giữa thực nghiệm và mô phỏng 59
Hình 5.3: Dạng sóng điện áp cực (Van) trước lỗi và sau lỗi 59
Hình 5.4: Dạng sóng điện áp pha (Vph) trước lỗi và sau lỗi 60
Hình 5.5: Dạng sóng điện áp dây (Vab) trước lỗi và sau lỗi 60
Hình 5.6: Dạng sóng điện áp trên tải R (Vr) trước lỗi và sau lỗi 60
Hình 5.7: Dạng sóng dòng điện qua tải trước lỗi và sau lỗi 61
Hình 5.8: Tổng độ méo hài (THD) của dòng điện trước lỗi và sau lỗi 61
Hình 5.9: Dạng sóng điện áp trên tụ C1, C2 trước lỗi và sau lỗi 62
Hình 5.10: Dạng sóng dòng điện qua cuộn dây L trước lỗi và sau lỗi 62
Trang 14Bảng Trang Bảng 4.1: Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch 44 Bảng 5.1: Các thông số được sử dụng trong bộ nghịch lưu 3 pha 63
Trang 15Trong những năm gần đây, các tấm pin năng lượng mặt trời dần được sử dụng rộng rãi, các tuabin năng lượng gió cũng bắt đầu được sử dụng phổ biến hơn ở các tỉnh thành Việt Nam Việc sử dụng các bộ nghịch lưu là rất cần thiết để tận dụng các nguồn năng lượng sạch này nhằm phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của mọi nhà, qua đó
sẽ giảm được đáng kể chi phí điện năng tiêu thụ về lâu dài
Đề tài thực hiện xây dựng mô hình nghịch lưu 3 pha ba bậc hình T tăng áp điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu được sự cố mất pha ở một nhánh nghịch lưu bất
kỳ Mô hình được thực hiện dựa trên việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 kết hợp với vi mạch FPGA để lập trình tạo ra các xung kích đóng, mở các IGBT tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha cấp cho tải Phương pháp nghiên cứu chính của
đề tài dựa trên những yếu tố sau:
- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã công bố
- Có tính kế thừa những phần cứng đã thiết kế từ các công trình nghiên cứu trước đó của phòng thí nghiệm và từ đó tiếp tục đào sâu nghiên cứu để phát triển thêm các tính năng mới
- Dựa vào lý thuyết tiến hành mô phỏng bằng phần mềm và xây dựng mô hình chạy thực tế
- Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đánh giá
Việc mô phỏng cấu hình bộ nghịch lưu ba pha ba bậc mới đã được thực hiện trên phần mềm Psim, và để kiểm tra lại các kết quả này thì một mô hình thử nghiệm đã được nhóm thực hiện đề tài xây dựng tại phòng thí nghiệm Quá trình thực nghiệm bộ nghịch lưu cũng đã được tiến hành ở cả hai điều kiện hoạt động của mạch: điều kiện hoạt động bình thường và trong điều kiện gặp sự cố mất pha A
Các dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu quan sát được từ thực nghiệm có hình dạng giống với lý thuyết mô phỏng khi hoạt động trong cả hai điều kiện bình thường
và xảy ra sự cố Về mặt biên độ thì có sự sai lệch tương đối khi so với lý thuyết, điều này
có thể chấp nhận được vì các linh kiện ngoài thực tế không thể đạt được các trạng thái và thông số lý tưởng như trong lý thuyết mô phỏng Ngoài ra, nhiễu tác động đến các xung kích cũng làm cho IGBT phát nóng làm giảm hiệu suất làm việc của linh kiện, qua đó ảnh
Trang 16Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Nền sản xuất công nghiệp phát triển, kéo theo nhiều tác động xấu đến môi trường Cụ thể, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề được mọi người đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây Đã có nhiều cuộc tranh cãi nảy lửa giữa người dân với các nhà máy sản xuất công nghiệp xảy ra tại nước ta với tần suất xuất hiện trên các báo đài, mạng xã hội ngày càng tăng Nguyên nhân chủ yếu của các vụ việc này liên quan tới vấn đề các công ty, xí nghiệp sản xuất đã xả trực tiếp các chất thải độc hại chưa qua xử lý ra môi trường Để giảm thiểu tình trạng này, nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đang hướng đến mục tiêu sử dụng năng lượng sạch sẵn có từ thiên nhiên như năng lượng gió, năng lượng mặt trời,… để giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường
Một bộ phận không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất năng lượng sạch này
là các bộ nghịch lưu (Inverters) Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các bộ nghịch lưu đang là một yêu cầu bắt buộc để có thể biến đổi và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả hơn song cũng góp phần giảm thiểu chi phí lắp đặt để có thể phổ biến rộng rãi hơn việc sử dụng nguồn năng lượng này đến với cộng đồng
Các bộ nghịch lưu nguồn áp thông thường (VSI) vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định [1-2] Cụ thể như:
- Không chịu được sự cố ngắn mạch trên cùng một nhánh nghịch lưu dẫn tới hư hỏng linh kiện chuyển mạch (IGBT)
- Hoạt động như một bộ chuyển đổi nguồn bậc thấp, điện áp xoay chiều ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chiều cung cấp cho ngõ vào Do đó, trong một hệ thống năng lượng tái tạo, để có được một điện áp AC đạt yêu cầu thì một bộ chuyển đổi điện áp một chiều (DC-DC converter) sẽ được ghép tầng với VSI như hình 1.1 hoặc một máy biến áp xoay chiều được lắp đặt đằng sau VSI như hình 1.2 Tuy nhiên, với nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống, trong khi đó việc lắp đặt máy biến áp lại làm tăng kích thước, trọng lượng và giá thành của cả hệ thống
Trang 17Khối nguồn
DC
Bộ tăng áp DC-DC
Bộ nghịch lưu DC-AC
Máy biến áp 50Hz
là đúng hướng và ngày càng được mọi người quan tâm nhiều hơn trong những năm gần đây
Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Năm 2003, cấu hình nghịch lưu nguồn Z đã được đề xuất cho phép tăng điện áp
DC ngõ vào qua đó tăng áp xoay chiều ngõ ra chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng
là một bước tiến khá lớn cho lĩnh vực này [3-4] Mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch lưu nguồn Z (ZSI) này bao gồm hai cuộn cảm có thông số bằng nhau, hai tụ thông số bằng nhau và một diode Đối với bộ nghịch lưu truyền thống, chỉ có hai trạng thái hoạt động là trạng thái ngắn mạch và trạng thái trạng thái active Trong khi
đó bộ ZSI tận dụng trạng thái ngắn mạch để tăng điện áp DC ngõ vào, qua đó cải
Trang 19Các bộ nghịch lưu trong giai đoạn này hầu hết là nghịch lưu bậc thấp, không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sử dụng điện năng với chất lượng ngày càng cao nên các bộ qZSI nhiều bậc đã được nghiên cứu để đáp ứng kịp thời cho nhu cầu này Năm 2014, một cấu hình qZSI NPC 3 bậc đã được đề xuất trong bài báo [6] của tạp chí IEEE Mạng trở kháng trung gian của qZSI NPC 3 bậc sử dụng hai mạng lưới trở kháng của qZSI theo dạng đối xứng như hình 1.5 với bốn cuộn cảm, bốn tụ điện và hai diode Bộ qZSI NPC 3 bậc này cũng có chế độ tăng áp chỉ qua một chặng biến đổi năng lượng nhưng cung cấp được điện áp ngõ ra AC ba bậc Tuy nhiên, việc tăng gấp đôi số lượng các linh kiện thụ động công suất lớn ở mạng trở kháng trung gian như vậy sẽ làm tăng kích thước, chi phí lắp đặt của cả hệ thống và cũng không phù hợp với các ứng dụng sử dụng công suất vừa và nhỏ
C4
Hình 1.5 Bộ nghịch lưu Quasi-Z-Source NPC
Vào năm 2016, bài báo [7] “A three level LC-Switching Based Voltage Boost NPC Inverter” được công bố bởi tổ chức IEEE với nghiên cứu về nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC Bộ nghịch lưu này vừa có thể tăng được điện áp đầu vào vừa sử dụng tương đối ít các linh kiện thụ động trong mạng trở kháng trung gian bởi sự trợ giúp của một linh kiện chuyển mạch tích cực bổ sung, do
đó tạm thời giải quyết được vấn đề về kích thước và trọng lượng của các bộ nghịch
Trang 20Hình 1.6 Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc tăng áp bằng chuyển mạch LC
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Trong nước, hiện tại hướng nghiên cứu về bộ nghịch lưu đa bậc hình T vẫn còn
là một hướng nghiên cứu mới
Tiên phong cho hướng nghiên cứu về cấu hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình
T tăng áp bằng chuyển mạch LC thực hiện trong đồ án là ThS Đỗ Đức Trí - Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Cụ thể, trong năm 2017, bài báo về công trình nghiên cứu nghịch lưu hình T “Three-Level Quasi-Switched Boost T-Type Inverter: Analysis, PWM Control, and Verification” của thầy đã được tổ chức IEEE thông qua và cho phát hành đến các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới
Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại phòng “Thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao” - D405 Phòng thí nghiệm đã và đang đi sâu vào nghiên cứu và phân tích các cấu hình và các giải thuật về nghịch lưu hình T tăng áp
Chưa dừng lại ở đó, một minh chứng cho tình hình nghiên cứu về các bộ nghịch lưu vẫn đang tiếp tục phát triển, bài báo [8] “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count” cũng vừa được tạp chí IET Power Electronics phát hành trong năm 2017 vừa qua Trong bài báo, một cấu hình nghịch lưu mới đã được đề xuất với việc tiếp tục giảm bớt một cuộn cảm ở mạng trở kháng trung gian
và giảm thêm 6 diode nữa khi so với mạch nghịch lưu NPC trước đó Ngoài việc giảm đáng kể số lượng các linh kiện thụ động, bộ nghịch lưu này còn có thể chịu được lỗi
Trang 21trong các trường hợp như: lỗi ngắn mạch, lỗi mạch hở bằng cách thực hiện một kỹ thuật điều chế PWM đặc biệt
Bộ nghịch lưu trong đề tài mà nhóm đang nghiên cứu được thực hiện dựa trên bài báo “Fault tolerant three-level boost inverter with reduced source and LC count” Với hai IGBT ở nhánh hình T đã được nhóm thực hiện đề tài thay thế bằng cấu hình gồm một IGBT kẹp bởi cầu Diode để cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra được tốt hơn Khi so với bộ nghịch lưu ba pha ba bậc truyền thống, bộ nghịch lưu cải tiến này có các đặc tính nổi trội hơn như:
Có khả năng tăng áp DC đầu vào, qua đó giảm số lượng nguồn pin hay quy ngõ vào, giảm chi phí lắp đặt
ắc- Chỉ qua một chặng chuyển đổi năng lượng DC-AC nên có hiệu suất chuyển đổi cao Kích thước và trọng lượng của hệ thống được giảm đi đáng kể
Giảm điện áp và dòng đặt lên các linh kiện chuyển mạch IBGT
Sử dụng ít linh kiện thụ động hơn trong mạng trở kháng trung gian giữa nguồn
DC ngõ vào và nhánh nghịch lưu
Cách ly điểm trung tính với dòng tải ngõ ra tốt hơn
Chịu được lỗi ngắn mạch do có sự hiện diện của mạng trở kháng trung gian giữa nguồn đầu vào và nhánh nghịch lưu Lỗi mạch hở cũng có thể giải quyết bằng cách thay đổi kỹ thuật điều chế
Trang 22Sc2 Sc3
Bộ nghịch lưu sử dụng một nguồn 𝑉 , mạng trở kháng trung gian của bộ nghịch lưu này bao gồm một cuộn cảm, hai tụ điện, bốn diode, hai linh kiện chuyển mạch tích cực và sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển các linh kiện chuyển mạch Trong đó, Card DSP TMS320F28355 được lập trình để tạo xung ngõ ra cho mạch kích hoạt động đồng thời sử dụng board mạch FPGA Cyclone II EP2C5T144C8 để thực hiện các thuật toán logic
Trang 231.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG 1: Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài “Xây dựng mô hình nghịch lưu tăng áp ba bậc điều khiển cầu diode kẹp với khả năng chịu lỗi”
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu phần cứng, phần mềm và nghiên cứu giải thuật điều khiển
NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
NỘI DUNG 4: Xây dựng mô hình
NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
NỘI DUNG 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án
1.4 GIỚI HẠN
Nghịch lưu ba pha ba bậc dạng hình T tăng áp
Chỉ thực hiện sửa lỗi cho trường hợp một nhánh nghịch lưu của pha bất kỳ bị lỗi mất pha
Điện áp cực ngõ ra đỉnh là ±100 VAC
Đây là đề tài mới nên tài liệu nghiên cứu bị hạn chế và mang tính tham khảo,
đa số là tài liệu nước ngoài cần có thời gian nghiên cứu và tìm hiểu
Đề tài chỉ xây dựng mô hình với mục đích kiểm chứng giữa lý thuyết và thực
tế
Đề tài được thực hiện với sự trợ giúp phần lớn các linh kiện, trang thiết bị sẵn
có của phòng thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao của trường ĐH Sư phạm
Trang 24 Chương 3: Xây dựng hệ thống
Đưa ra phương án thực hiện, dựa vào những kiến thức nền tảng và kiến thức đã được học
Chương 4: Thi công mô hình
Làm khung mô hình, gia công mạch in, hàn linh kiện và kiểm tra mạch
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày kết quả trên mô phỏng và thực nghiệm đưa ra nhận xét và đánh giá
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đưa ra kết luận cho đồ án, những điểm đã và chưa đạt được Có hướng phát triển cho đề tài
Tài liệu tham khảo, phụ lục
Dẫn chứng nguồn tài liệu tham khảo trong lúc thực hiên đồ án tốt ngiệp
Hướng dẫn sử dụng phần mềm CCS và Quartus II
Trang 25Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP
2.1.1 Giới thiệu tổng quát
Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn năng lượng điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều hoạt động
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 hay gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ngõ ra không giống nhau,
ví dụ như bộ nghịch lưu tạo ra 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 hay còn được gọi
là 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 đóng 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 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 cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ngõ ra Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như acquy, pin điện… hoặc ở dạng phức tạp như
Trang 26khả năng kích đóng hay ngắt dòng điện đi qua nó tức là đóng vai trò như một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc Ở các ứng dụng có công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch
Các hệ thống phát điện tái tạo cho ra các nguồn điện sơ cấp khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu trong quá trình vận hành Do đó cần thiết phải có thiết bị biến đổi điện tử công suất để cho phép truyền tải bằng phần tử phi tiếp điểm
có khả năng điều khiển được, khi ghép nối với lưới hoặc phụ tải
2.1.3 Các dạng cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu đa bậc
Có 3 dạng thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu áp đa bậc:
- Dạng diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter)
- Dạng dùng tụ thay đổi (Flying Capacitor Multilevel Inverter)
- Dạng ghép tầng (Cascade inverter)
2.2 GIỚI THIỆU MẠCH NGHỊCH LƯU 3 PHA HÌNH T
2.2.1 Tổng quan nghịch lưu hình T
Hình 2.1 Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T
Trang 27Nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T được biểu diễn tại hình 2.1 Đây là mạch nghịch lưu cho hiệu suất cao và hoạt động tốt hơn các mạch nghịch lưu truyền thống nên thường được sử dụng cho mạch nghịch lưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời
So với các mạch nghịch lưu truyền thống thì mạch nghịch lưu đa bậc hình T có hiệu suất cao hơn mà lại sử dụng ít linh kiện đóng ngắt hơn Qua đó giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng
Trang 282.3 GIỚI THIỆU VỀ NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC HÌNH T TĂNG
ÁP BẰNG CHUYỂN MẠCH LC
2.3.1 Giới thiệu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
Nghịch lưu sử dụng trong ứng dụng hiện nay phân làm hai loại cơ bản: Nghịch lưu nguồn áp - NLNA, nghịch lưu nguồn dòng - NLND
Nghịch lưu nguồn áp được sử dụng phổ biến và có đặc điểm sau: đầu vào nghịch lưu áp phải có tụ điện dung lượng lớn, điện áp đầu ra nghịch lưu bị giới hạn bởi điện
áp một chiều và không cho phép ngắn mạch đầu ra
Nghịch lưu nguồn dòng sử dụng trong ứng dụng có công suất lớn và có đặt điểm sau: đầu vào NLND phải có điện cảm giá trị lớn và cần có bộ điều chỉnh để duy trì dòng điện không đổi, điện áp ra của NLND lớn hơn điện áp đầu vào và không cho phép làm việc hở mạch Như vậy, cả hai cấu hình NLNA và NLND chỉ có thể thực hiện chức năng tăng áp hoặc giảm áp
Hệ thống phát điện bằng pin năng lượng mặt trời có ngõ ra là một nguồn DC có điện áp thấp, không ổn định nên chúng ta cần có một mạch nghịch lưu vừa có thể chuyển đổi DC/AC vừa có thể tăng điện áp ngõ ra để phù hợp với thiết bị sinh hoạt trong hộ gia đình, chung cư, nhà xưởng, hay hòa vào điện lưới quốc gia theo giá trị mong muốn Do đó, mạch nghịch lưu hình T đã mở ra triển vọng ứng dụng cho các
hệ phát điện như phân tán như: pin năng lượng mặt trời, fuel cell, sức gió…thích hợp trong lưới điện
Trang 29Hình 2.4 Cấu trúc mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp
Cấu trúc mạch động lực đồng nhất không có sự phân biệt rõ các tầng biến đổi công suất Điện áp DC đầu vào được tăng áp nhờ chuyển mạch bởi các khóa S1 và S2 Cuộn cảm L1 để dòng điện liên tục trong quá trình chuyển mạch bởi các khóa S1
và S2 Giá trị của tụ C1 và C2 sẽ bằng nhau để chia đôi cân bằng điện áp So với mạch nghịch lưu NPC truyền thống, mạch nghịch lưu hình T cho phép giảm được 3 IGBT và 1 cuộn dây so với mạch nghịch lưu NPC truyền thống
Đề tài nghiên cứu của nhóm sẽ sử dụng mạch nghịch lưu hình T điều khiển bằng cầu diode kẹp sẽ có ưu điểm hơn mạch nghịch lưu hình T truyền thống: giảm 1 IGBT cho mỗi nhánh giữa, sẽ giúp giảm bớt xung kích điều khiền và các IC liên quan
Đề tài sẽ nghiên cứu mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T điều khiển bằng cầu diode kẹp tăng áp bằng chuyển mạch LC hướng đến ứng dụng cụ thể cho hệ phát điện
sử dụng pin năng lượng mặt trời
Trang 302.3.2 Nguyên lý hoạt động
Hình 2.5 Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC
Nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC được giải thích dựa trên mạch điện tương đương 1 pha như hình 2.6
Hình 2.6 Mạch điện tương đương 1 pha
Mạch nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T tăng áp bằng chuyển mạch LC hoạt động dựa trên 3 trạng thái chính: trạng thái mức “không”, trường hợp không ngắn mạch và trường hợp ngắn mạch Đối với trường hợp ngắn mạch và không ngắn mạch, dòng điện qua cuộn cảm phải liên tục Để đảm bảo điều này thì giá trị của cuộn cảm phải
Trang 31đủ lớn để duy trì dòng điện, nếu cuộn cảm có giá trị nhỏ thì dòng điện sẽ có độ đập mạch lớn, hay có thể bị gián đoạn Tùy thuộc vào công suất yêu cầu của phụ tải mà giá trị của các cuộn cảm và tụ điện được thiết kế và lựa chọn để đảm bảo độ đập mạch của dòng điện, điện áp cho phép của mạch nghịch lưu
Xét trường hợp không ngắn mạch:
Hình 2.7 Trạng thái + VDC ở trường hợp không ngắn mạch
Ở trường hợp không ngắn mạch, cuộn cảm thực hiện quá trình nạp xả năng lượng qua mạch nghịch lưu cấp điện cho phụ tải, điện áp đầu ra lúc này sẽ có 2 giá trị là +Vdc/2 hoặc –Vdc/2
Ở hình 2.7, các IGBT S1, S2, Sa3, Sa2 sẽ mở, IGBT Sa1 sẽ đóng để tạo điện
áp +Vdc
Điện áp ngõ ra trong trường hợp không ngắn mạch là:
Vout = +Vdc/2 hoặc Vout = -Vdc /2 (1)
Điện áp đặt lên cuộn cảm L trong trường hợp không ngắn mạch là:
VL = Vdc – (VC1 + VC2) (2)
Trang 32Hình 2.8 Trạng thái -VDC ở trường hợp không ngắn mạch
Ở hình 2.8, các IGBT S1, S2, Sa3, Sa1 sẽ mở, IGBT Sa2 sẽ đóng để tạo điện
Hình 2.9 Mạch tương đương 1 pha ở trường hợp mức "không"
Ở trường hợp mức “không” các IGBT S1, S2, Sa1, Sa2 sẽ mở, chỉ có nhánh nghịch lưu ở giữa IGBT Sa3 được đóng lại để tạo điện áp 0
Trang 33Điện áp của mạch nghịch lưu ở trạng thái mức “không” là:
Vout = 0 (5)
Điện áp đặt lên cuộn cảm L trong trạng thái mức “không” là:
VL = Vdc – (VC1 + VC2) (6)
Xét trường hợp ngắn mạch:
Hình 2.10 Mạch tương đương 1 pha ở trạng thái ngắn mạch
Ở trường hợp ngắn mạch, cho phép ngắn mạch một hoặc hai hoặc cả ba IGBT mạch nghịch lưu hình T, ví dụ như hình 2.10 là ngắn mạch 2 IGBT Sa1, Sa2, Sa3 của pha A Cả 3 IGBT Sa1, Sa2 và Sa3 sẽ đóng đồng thời với 2 IGBT S1, S2
Tại thời điểm ngắn mạch, các cuộn cảm thực hiện quá trình nạp điện áp từ tụ điện và nguồn DC Dòng điện tải đầu ra đối với tải trở cảm của mạch nghịch lưu sẽ được duy trì liên tục qua hệ thống các Diode của các IGBT S1, S2, Sa1 và Sa2.Trong trường hợp ngắn mạch thì điện áp đầu ra sẽ bằng 0, vì mạch nghịch lưu đã bị ngắn mạch đầu vào
Điện áp ngõ ra ở trường hợp ngắn mạch là:
Vout = 0 (7)
Điện áp đặt trên cuộn cảm L trong trường hợp ngắn mạch là:
VL = Vdc + VC1 + VC2 (8)
Trang 34Dòng điện trên các phần tử trong mạch ở trường hợp ngắn mạch là:
IL = - IC1 = -IC2 (9)
Gọi D là thời gian ngắn mạch trong chu kỳ sóng mang của các khóa IGBT trong mạch nghịch lưu, do đó ta có 1-D sẽ là thời gian không ngắn mạch của các khóa IGBT Gọi M là hệ số điều chế độ rộng xung, ta có:
2(1 2 )
dc out C
2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (PWM)
Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation), hay điều chế thời gian xung (Pulse-duration modulation), là một kỹ thuật điều chế được sử dụng để mã hóa một thông điệp thành một tín hiệu xung Mặc dù kỹ thuật điều chế này có thể được sử dụng để mã hóa thông tin để truyền tải, việc sử dụng chính của nó là cho phép điều khiển nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện, đặc biệt là để tải quán tính như động
cơ Ngoài ra, PWM là một trong hai thuật toán chính được sử dụng trong bộ sạc pin quang điện năng lượng mặt trời, thuật toán kia là giám sát điểm công suất cực đại
Trang 35Tần số đóng cắt PWM phải cao hơn nhiều so với tần số ảnh hưởng đến tải (các thiết bị sử dụng điện), để dạng sóng cuối cùng được đưa tới tải phải càng mịn càng tốt
Ưu điểm chính của PWM đó là tổn hao công suất trên các thiết bị đóng cắt (chuyển mạch) rất thấp Khi khóa chuyển mạch tắt thì không có dòng điện nào đi qua,
và khi bật thì nguồn sẽ được đưa sang phụ tải, thì hầu như không có sụt áp trên thiết
bị chuyển mạch Tổn hao công suất, là tích của điện áp và dòng điện, do đó trong cả hai trường hợp gần như bằng không PWM cũng hoạt động tốt với điều khiển kỹ thuật
số, mà vì tính chất bật/tắt, ta có thể dễ dàng thiết lập chu kỳ làm việc cần thiết
Các ứng dụng:
- PWM được sử dụng để điều khiển các cơ cấu servo
- PWM là một dạng điều chế tín hiệu trong viễn thông
- PWM có thể được sử dụng để kiểm soát lượng điện được cung cấp
- PWM cũng được sử dụng trong các bộ điều chỉnh điện áp
- Hiệu ứng âm thanh và khuếch đại âm thanh
- Kỹ thuật điện
Ở các mạch nghịch lưu truyền thống, trường hợp hai khóa trên một nhánh hay còn gọi là trường hợp ngắn mạch ngõ ra thì sẽ được tránh vì trường hợp này sẽ làm ngắn mạch mạch công suất và hư hỏng thiết bị điện tử công suất Nhưng ở mạch nghịch lưu có mạch tăng áp chuyển mạch bằng LC cho phép tồn tại trạng thái ngắn mạch trong các trạng thái hoạt động của mạch
Trang 36Hình 2.11: Phương pháp điều chế độ rộng xung tổng quát
Đề tài nhóm thực hiện sẽ tiến hành điều chế độ rộng xung dựa trên phương pháp:
- So sánh xung tam giác với điện áp DC (đường thẳng)
- So sánh xung tam giác với điện áp AC (Sin)
Hình 2.12 Các xung kích cho mạch nghịch lưu trên pha A
Trang 37Điện áp tham chiếu AC Sin:
32 (2 )
32 (2 )
M, fo lần lượt là chỉ số điều chế và tần số ngõ ra
Giải thuật điều chế xung điều khiển cho các khóa công suất thực hiện trong đồ
án được thể hiện ở hình 2.12 có thể giải thích như sau:
- Tại mỗi pha ta so sánh 2 sóng Sin lệch pha nhau 1800 là Sin(t) ở (16) và -Sin(t) ở (17) với sóng mang tần số cao Vcarr
- Với 3 pha thì các bộ sóng Sin (Sin(t) và -Sin(t)) này sẽ lệch pha nhau 1200 ở biểu thức (16) và biểu thức (17)
- Các xung ngắn mạch được tạo bằng việc so sánh sóng mang với 2 tín hiệu điện
áp cố định (Vdc) kí hiệu là Vsh (Vshoot_high) và Vsl (Vshoot_low) như trong hình 2.12 Biên độ của tín hiệu Vdc này sẽ quyết định đến giá trị độ lợi tăng áp
- Để đảm bảo trường hợp ngắn mạch không cản trở trạng thái hoạt động (hoặc trường hợp không ngắn mạch), trạng thái ngắn mạch được thêm vào trong trạng thái mức “không” trong mỗi chu kỳ chuyển mạch như trong hình 2.12
- Các xung ngắn mạch được cộng thêm vào các khóa trên cùng một nhánh để
Trang 38- Việc ngắn mạch tín hiệu cổng (‘S1’ và ‘S2’) được đưa đến các thiết bị chuyển mạch trong mạng trung gian qua đó giúp tăng điện áp một chiều ngõ vào
Điện áp ngõ ra:
0 0 0
(2 )
2 (2 )
32 (2 )
Trong đó: va, vb, vc, van, vbn, vcn là điện áp ngõ ra của pha A, B, C
Vm, fo lần lượt là điện áp ngõ ra cực đại và tần số ngõ ra